Multi-species ion acceleration from ultra-thin foils was studied experimentally, employing the Vulcan Petawatt laser at the Central Laser Facility, UK. Plastic (CH) foils with thicknesses in the range 10–340 nm were irradiated with intense, short (750 fs) laser pulses producing maximum energies of MeV and 25 MeV/nucleon obtained for H+ and C6+ ions, respectively. Ion spectra obtained from high resolution spectrometers suggest differences in the acceleration dynamics for the two species. Comparisons are made with two-dimensional Particle in Cell simulations, which identify, for an optimal thickness, two main mechanisms contributing to the ion acceleration process, namely multi-species target normal sheath acceleration (TNSA) and radiation pressure acceleration (RPA). Ion energies are further enhanced by the onset of relativistically induced transparency. A final stage in the acceleration is caused by the formation of electron jets (as the target undergoes transparency), which accelerate the ions off-axis. By analysing the spatial and temporal evolution of the accelerating fields, we are able to infer the effect of the different mechanisms on each species and how this translates to the experimental observations. The two main mechanisms, TNSA and RPA, are seen to each produce a distinct population of high energy protons whereas a single population of carbon is accelerated by a summation of these effects. This species-specific analysis sheds new light on the complex dynamics in a multi-species target expansion and on the contribution of different acceleration processes to the acceleration of the most energetic ions in the spectrum.
極薄フォイルからの多種イオン加速を、英国中央レーザー施設のVulcan Petawattレーザーを用いて実験的に研究した。厚さ10～340 nmの範囲のプラスチック（CH）フォイルに、強力で短い（750 fs）レーザーパルスを照射し、それぞれH+イオンおよびC6+イオンについて最大エネルギー25 MeV/nucleonを得た。高分解能スペクトロメータから得られたイオンスペクトルは、2種類のイオン種における加速ダイナミクスの違いを示唆している。実験結果は2次元Particle-in-Cellシミュレーションと比較され、最適な厚さにおいて、イオン加速過程に寄与する2つの主要なメカニズム、すなわち多種イオンターゲットノーマルシース加速（TNSA）と放射圧加速（RPA）が特定された。イオンエネルギーは、相対論的誘起透明化の開始によってさらに増大する。加速の最終段階は、ターゲットが透明化する際に電子ジェットが形成されることによって引き起こされ、これによりイオンが軸外方向に加速される。加速電場の空間的・時間的発展を解析することにより、各メカニズムが各イオン種に及ぼす影響と、それが実験観測結果にどのように反映されるかを推測することができる。TNSAとRPAの2つの主要なメカニズムは、それぞれ異なる高エネルギー陽子集団を生成することが確認された一方、炭素イオンは単一の集団として加速され、これは両効果の合算によるものである。このイオン種別の解析は、多種イオンターゲットの膨張における複雑なダイナミクスと、スペクトル中の最も高エネルギーのイオンに対する異なる加速過程の寄与について、新たな知見をもたらすものである。