We study the influence of hollow laser pulse settings, specifically adjustments to the focal plane and the phase structure and polarization, on the acceleration of high-energy, low-divergence proton beams from a double-layer target using a feasible laser energy ( J). We investigate the laser's relativistic self-focusing dynamics in the near-critical plasma layer of the target and examine hot electron generation and proton acceleration using three-dimensional particle-in-cell simulations. First, we vary the focal spot position of a tightly focused twisted driver, leading to distinct laser beam width evolution that impacts hot electron generation in the near-critical plasma, particularly in the transverse direction. The resulting proton beams differ in maximum longitudinal momentum () and transverse profile. The most efficient acceleration, with a cutoff energy of MeV and ultra-low divergence ( mrad), occurs when the twisted driver is focused at the center of the target. Next, we modify the phase structure and polarization of the laser pulse, transitioning from a linearly polarized twisted beam to cylindrical vector beams with radial and azimuthal polarization, all exhibiting hollow, cylindrically symmetric intensity profiles. This change primarily affects the proton beam's maximum energies, influenced by the ultra-relativistic direct laser-accelerated electrons, efficiently generated only by the radially polarized and twisted laser pulses. However, the bulk properties of the proton beam remain similar, as the relativistic mid-energy electrons, which sustain a strong sheath field, are the main contributors to proton acceleration in this setup.
中空レーザーパルス設定、具体的には焦点面、位相構造、および偏光の調整が、実現可能なレーザーエネルギー（J）を用いた二層ターゲットからの高エネルギー・低発散陽子ビームの加速に及ぼす影響を研究する。我々は、ターゲットの近臨界プラズマ層におけるレーザーの相対論的自己集束ダイナミクスを調べ、三次元粒子インセルシミュレーションを用いて高温電子生成と陽子加速を検討する。まず、強く集束されたツイストドライバーの焦点スポット位置を変化させると、レーザービーム幅の異なる発展が生じ、近臨界プラズマにおける高温電子生成、特に横方向の高温電子生成に影響を与える。得られる陽子ビームは、最大縦運動量（）と横方向プロファイルにおいて異なる。最も効率的な加速は、カットオフエネルギーがMeV、超低発散（mrad）であり、ツイストドライバーがターゲットの中心に集束されたときに発生する。次に、レーザーパルスの位相構造と偏光を変更し、直線偏光ツイストビームから、ラジアル偏光およびアジマス偏光を持つ円筒ベクトルビームへと遷移させる。これらはすべて、中空で円筒対称な強度分布を示す。この変更は主に陽子ビームの最大エネルギーに影響を与える。これは、ラジアル偏光およびツイストレーザーパルスによってのみ効率的に生成される、超相対論的直接レーザー加速電子によって影響を受ける。しかしながら、陽子ビームのバルク特性は同様のままである。これは、強いシース場を維持する相対論的中エネルギー電子が、このセットアップにおいて陽子加速の主な寄与者であるためである。