A theoretical model of energy transfer from laser to particles in the ultra-high intensity regime of laser plasma interaction is proposed, assuming that most of the laser energy will be transferred to hot electrons. Varying the target density and thickness, the optimal parameters for the maximum conversion efficiency of the laser energy to particles are studied. Through 2D particle-in-cell simulations, the model is validated for a near-critical density plasma between (where cm−3 is the critical density for a laser wavelength of m) irradiated by a laser pulse of intensity in the range 1020–1023 W cm−2 and the pulse duration in the range 6.5–100 fs. As an application to this model, laser ion acceleration is studied for a laser intensity of 1022 W cm−2 and a pulse duration of 20 fs. Based on the literature and new findings from our model, the optimum thickness for ion acceleration and the maximum ion energies for an expansion like mechanism are predicted. These results can be used for applications requiring high energy ions and for preparations of experiments at the Apollon and ELI laser facilities.
レーザーとプラズマの相互作用の超高強度領域における、レーザーから粒子へのエネルギー移動の理論モデルを提案し、レーザーエネルギーの大部分が高温電子に移動すると仮定する。ターゲットの密度と厚さを変化させ、レーザーエネルギーから粒子への最大変換効率を得るための最適パラメータを研究する。2次元粒子インセルシミュレーションを通じて、このモデルは、レーザー波長に対する臨界密度が cm⁻³ である近臨界密度プラズマにおいて、強度が 10²⁰–10²³ W cm⁻²、パルス持続時間が 6.5–100 fs のレーザーパルス照射下で検証される。このモデルの応用として、強度 10²² W cm⁻²、パルス持続時間 20 fs のレーザーによるイオン加速を研究する。文献および本モデルからの新たな知見に基づき、膨張機構によるイオン加速の最適な厚さと最大イオンエネルギーが予測される。これらの結果は、高エネルギーイオンを必要とする応用や、APOLLONおよびELIレーザー施設での実験準備に利用できる。