In this study, three-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations were conducted to evaluate a collimated proton beam accelerated by an intense Laguerre–Gaussian (LG) laser with different pulse durations. The flux and energy of the collimated proton beam could be simultaneously enhanced by selecting an optimal pulse duration. This phenomenon can be primarily attributed to the correlation between the LG laser driven self-generated magnetic field and pulse duration, and this correlation enables the collimation of protons during their interaction and transport. The results obtained in this study elucidate the formation mechanism of different collimated proton patterns, driven by femtosecond and picosecond LG lasers, observed in previous experiments. In addition, based on these results, an optimum pulse duration for high-quality proton beams is proposed for various future applications.
本研究では、異なるパルス持続時間を持つ強力なラゲール–ガウス（LG）レーザーによって加速されたコリメート陽子ビームを評価するために、三次元パーティクル・イン・セル（PIC）シミュレーションを実施した。コリメート陽子ビームのフラックスとエネルギーは、最適なパルス持続時間を選択することにより同時に増強できることが判明した。この現象は、主にLGレーザー駆動の自己生成磁場とパルス持続時間との相関に起因すると考えられ、この相関により、陽子の相互作用および輸送中のコリメーションが可能になる。本研究で得られた結果は、以前の実験で観察されたフェムト秒およびピコ秒LGレーザーによって駆動される異なるコリメート陽子パターンの形成メカニズムを解明するものである。さらに、これらの結果に基づき、将来の様々な応用に向けた高品質陽子ビームのための最適なパルス持続時間が提案される。