相较于传统加速器而言，激光驱动可以将加速梯度提升三个量级以上，因而激光驱动可以作为实现紧凑粒子束源的技术手段。在激光驱动加速的众多研究方向中，超强激光与超薄靶（厚度在微米到纳米量级）相互作用，从而高效率地产生质子源一直是研究热点之一。产生的质子源可用于对高能量高密度的物质进行辐射成像，或者用作肿瘤治疗的质子刀，但是这些应用都要求质子束有较好的品质，如低能散、高能量、发散角小、空间分布均匀等。

       在当前众多的加速机制中，光压加速（Radiation pressure acceleration, RPA）是目前来看最可能提供如此高品质的质子束源的加速机制。而在光压加速中有一种最理想的加速状态——光帆加速（Light sail acceleration, LSA），即利用激光将靶中的电子整体的向前推动，产生稳定均匀的超强电荷分离场，进而对质子实现持续稳定的加速。在过去的研究中已经构建了大量的一维模型，结果表明加速的质子束具有较好的品质，并且通过粒子束模拟（particle-in-cell, PIC）的方法进行了验证（如图1）。

图1 激光加速质子束成像实验结果（AIP Advances 5, 107214, 2015, Fig.1）

然而，近年来开展的大量光帆加速的实验结果却不尽人意：首先，质子束的能量远远小于模型预测的值；其次，质子束的能谱也并不像预测中那么“窄”。

       造成光帆加速表现如此糟糕的原因主要有两个：一是激光预脉冲的预加热破坏了纳米靶结构，另外激光与等离子体相互作用产生的不稳定性。对于前者，目前已有大量的技术性研究（如等离子体镜等）来提升激光的对比度。而对于后者，目前的研究更多的聚焦在线性区域，没有指出不稳定性究竟对离子加速有何种程度的影响。

       最近，由以色列Weizmann研究所、清华大学和加州大学洛杉矶分校的研究者共同发表在Physical Review Letters上的文章中构建了一种三维模型来解释加速过程中横向不稳定，并且通过三维PIC模拟进行了检验。该模型分析了线性和非线性阶段下横向不稳定性的增长，并且明确指出在何种情况下该效应将导致加速过程的中止（不稳定性增长饱和的波破裂阶段）。

图2 典型光帆加速质子密度分布和不稳定性增长演示图（Physical Review Letters 125, 104801, 2020, Fig.1）

研究人员首先利用PIC程序OSIRIS展示了光帆加速过程中的不稳定性线性增长到非线性饱和的过程（图2）。可以看到，在线性区域时，质子密度的扰动呈现近乎线性的增长；而进入非线性后，质子密度扰动进入饱和阶段，电子能散出现显著的指数增加，意味着光帆加速稳定的加速结构被破坏，从而导致了加速过程的中止。接着研究人员分别对线性阶段和非线性阶段的不稳定性增长进行了理论模型构建，并使用三维PIC模拟进行参数扫描来验证模型的可靠性。

       之后，研究人员进一步对抑制不稳定性的方案进行了探讨。由于不稳定性来源于等离子体中电子、离子的相互振荡，因而想要完全消除不稳定性需要将电子和离子完全分开，但这与光帆加速利用稳定电荷分离场的想法背道而驰。因此，想要抑制不稳定性，只能通过合理的参数选择，尽量增加不稳定性达到饱和的时间，从而增加有限的加速时间。

       目前最有效的方法是使用低密度的靶，如1-20 nc（nc为临界密度）左右的泡沫靶，这样可以显著延长加速时间，从而获得更高的加速峰值能量（图3）。研究者也讨论了其他的一些方法，如利用多层靶的重离子，使其在等离子体静电分离场被不稳定性破坏后仍然提供纵向的加速场、或者利用单脉冲激光使得加速过程在不稳定性到达饱和前完成。

图3 光帆加速有效加速时间和截止能量与密度的关系（Physical Review Letters 125, 104801, 2020, Fig.4）

消息来源： 高功率激光科学与工程