Fast electrons generated in ultra-intense laser interaction with a solid target can produce multi-MeV ions from laser-induced plasmas. These fast ions can have different applications ranging from ion implantation to nuclear reactions. The most important parameter is the efficiency of fast ion production. An analytical model and particle-in-cell simulations were employed to examine acceleration mechanisms that can provide an optimal plasma density distribution due to a laser prepulse. We considered the acceleration of ions leaving a plasma layer with different density gradients, from a step-like overdense plasma to an underdense plasma with a smooth density gradient. The effects of the plasma initial scale length and density on the ion acceleration were analysed, and we found that the optimal case should have some plasma parameters. It is shown that overdense plasmas provide a higher density of accelerated ion energy than underdense plasmas at intensities below 1019 W cm−2.
超強力レーザーと固体ターゲットとの相互作用によって生成された高速電子は、レーザー誘起プラズマから多MeVのイオンを生成することができる。これらの高速イオンは、イオン注入から核反応に至るまで、様々な応用が可能である。最も重要なパラメータは、高速イオン生成の効率である。解析モデルと粒子インセルシミュレーションを用いて、レーザープリパルスによる最適なプラズマ密度分布を提供できる加速メカニズムを調べた。我々は、ステップ状の過密プラズマから滑らかな密度勾配を持つ低密度プラズマまで、異なる密度勾配を持つプラズマ層から出るイオンの加速を考察した。プラズマの初期スケール長と密度がイオン加速に及ぼす影響を解析し、最適なケースは特定のプラズマパラメータを持つべきであることを見出した。10^19 W cm^-2 以下の強度では、過密プラズマが低密度プラズマよりも高い加速イオンエネルギーの密度を提供することが示されている。