In the interaction between an ultra-short laser pulse and an ultra-thin film target, field ionization dominates the plasma formation. The charge and density distribution of the plasma are determined by the laser pulse and the target, and play a crucial role on the following ion acceleration process. In this paper, we study the role of ionization in laser ion acceleration with particle-in-cell simulations. The ion energy spectra in the simulations including ionization are significantly shaped comparing with those from the simulations using a pre-ionized plasma. The shaping of the ion energy spectra is robust in a wide parameter range, in term of laser temporal profile, intensity, duration and target material. This work also shows the possibility to generate quasi-monoenergetic ion beams resulted by ionization. The benchmark simulation well reproduces the narrow bandwidth ion energy spectra, the evolution of the particle number with charge state, and the leaps on the ion energy, those observed in the previous experiments. This study reveals the necessity to include ionization in modeling laser ion acceleration, and provides an approach to understand the shaping of ion energy spectra in the experiments.
超短パルスレーザーと超薄膜ターゲットの相互作用において、場電離がプラズマ生成を支配する。プラズマの電荷分布と密度分布はレーザーパルスとターゲットによって決定され、その後のイオン加速過程において決定的な役割を果たす。本論文では、粒子インセルシミュレーションを用いて、レーザーイオン加速における電離の役割を研究する。電離を含むシミュレーションにおけるイオンエネルギー分布は、事前電離を用いたシミュレーションと比較して、有意に異なる形状を示す。イオンエネルギー分布の形状変化は、レーザーの時間プロファイル、強度、持続時間、ターゲット材料の広いパラメータ範囲において頑健である。本研究はまた、電離によって準単色イオンビームを生成する可能性を示す。ベンチマークシミュレーションは、先行実験で観測された狭帯域イオンエネルギー分布、電荷状態に伴う粒子数の進化、およびイオンの跳躍的増加を良好に再現する。本研究は、レーザーイオン加速のモデリングに電離を含める必要性を明らかにし、実験におけるイオンエネルギー分布の形状形成を理解するためのアプローチを提供する。