A scheme to achieve all-optical cascaded ion acceleration driven by intense laser pulses is proposed, where a series of segmented tubes are used. First, the high-flux ion beam is produced via collisionless shock acceleration in the first tube segment driven by an intense picosecond laser, and then undergoes successive post-accelerations in a cascaded manner via magnetic vortex acceleration driven by low-power terawatt-femtosecond lasers when it propagates through each subsequent tube segment into the vacuum gaps between them. By controlling the delay of the femtosecond lasers as well as the vacuum gap between the tube segments, not only the maximum energy of the ion beam can be boosted, but also its energy spectrum can be tuned to be quasi-monoenergetic. Two-dimensional particle-in-cell simulations show that the maximum energy of the primary proton beam, produced by the picosecond laser at intensity 8.8 × 1019 W cm−2, can be boosted from 123 to 181 MeV with only two post-accelerations by using 100 fs lasers at the same intensities.
強力なレーザーパルスによって駆動される全光カスケードイオン加速を実現するスキームを提案する。このスキームでは、一連の分割管を用いる。まず、高フラックスのイオンビームが、強力なピコ秒レーザーによって駆動される最初の分割管内の無衝突衝撃波を介して生成される。その後、イオンビームは、各後続の分割管を伝搬する際に、それらの間の真空ギャップにおいて、低出力のテラワット・フェムト秒レーザーによって駆動される磁気渦加速を介して、カスケード方式で連続的な後段加速を受ける。フェムト秒レーザーの遅延と分割管間の真空ギャップを制御することにより、イオンビームの最大エネルギーを増強できるだけでなく、そのエネルギースペクトルを準単色に調整することも可能となる。二次元粒子シミュレーションにより、強度8.8 × 10¹⁹ W cm⁻²のピコ秒レーザーによって生成された主要な陽子ビームの最大エネルギーは、同じ強度の100フェムト秒レーザーを用いたわずか2回の後段加速によって、123 MeVから181 MeVに増強できることが示された。