Some applications of fast ions driven by a short (⩽1 ps) laser pulse (e.g. fast ignition of ICF targets, x-ray laser pumping, laboratory astrophysics research or some nuclear physics experiments) require ion beams of picosecond (or shorter) time durations and of very high ion current densities (∼1010 A cm−2 or higher). A possible way of producing ion beams with such extreme parameters is ballistic focusing of fast ions generated by a target normal sheath acceleration (TNSA) mechanism at relativistic laser intensities. In this paper we discuss another method, where the production of short-pulse ion beams of ultrahigh current densities is possible in a planar geometry at subrelativistic laser intensities and at a low energy (⩽1 J) of the laser pulse. This method—referred to as skin-layer ponderomotive acceleration (S-LPA)—uses strong ponderomotive forces induced at the skin-layer interaction of a short laser pulse with a proper preplasma layer in front of a solid target. The basic features of the high-current ion generation by S-LPA were investigated using a simplified theory, numerical hydrodynamic simulations and measurements. The experiments were performed with subjoule 1 ps laser pulses interacting with massive or thin foil targets at intensities of up to 2 × 1017 W cm−2. It was found that both in the backward and forward directions highly collimated high-density ion beams (plasma blocks) with current densities at the ion source (close to the target) approaching 1010 A cm−2 are produced, in accordance with the theory and numerical calculations. These ion current densities were found to be comparable to (or even higher than) those estimated from recent short-pulse TNSA experiments with relativistic laser intensities. Apart from the simpler physics of the laser–plasma interaction, the advantage of the considered method is the low energy of the driving laser pulses allowing the production of ultrahigh-current-density ion beams with a high repetition rate. It opens a prospect for unique tabletop experiments in various fields of physical and technological research.
いくつかの高速イオン応用（例えば、ICFターゲットの高速点火、X線レーザー励起、実験室天体物理学、あるいは一部の核物理学実験）には、ピコ秒（またはそれ以下）の時間スケールと非常に高いイオン電流密度（∼10¹⁰ A cm⁻²以上）を持つイオンビームが必要である。このような極限的なパラメータを持つイオンビームを生成する一つの可能な方法は、相対論的強度のレーザーパルスを平面ターゲットに照射した際に発生するターゲット前面法線シース加速（TNSA）機構による高速イオンの弾道集束である。本論文では、別の方法として、サブジュール（≤1 J）のレーザーパルスエネルギーを用い、サブ相対論的強度（≤10¹⁷ W cm⁻²）のレーザーを平面ターゲットに照射した際に、表皮層相互作用によって誘起される強いポンデロモーティブ力を利用した皮膚層ポンデロモーティブ加速（S-LPA）機構を提案する。このS-LPA機構によるイオン生成を、簡略化した理論モデル、数値シミュレーション、および実験計測によって調べた。実験では、サブジュール（1 J）のピコ秒レーザーパルスを、厚い（バルク）および薄い（薄膜）平面ターゲットに照射した。その結果、理論および数値計算と一致して、ターゲットの前方および後方の両方向において、高指向性で高密度のイオンビーム（プラズマブロック）が生成され、そのイオン源（ターゲット近傍）での電流密度は∼10¹⁰ A cm⁻²に達することが確認された。この電流密度は、近年の相対論的強度の短パルスレーザーを用いたTNSA実験で報告されている値に匹敵するか、あるいはそれを上回るものである。S-LPA機構の利点は、レーザー・プラズマ相互作用の物理がより単純であることに加え、駆動レーザーパルスのエネルギーが低いため、高繰り返し動作が可能となり、超高電流密度イオンビームを発生できる点にある。これにより、物理および技術研究の様々な分野において、卓上規模の実験装置を用いた独自の実験が可能になると期待される。