In this work, simulations of multi-petawatt lasers in the range of ∼0.2 PW–∼100 PW with varying Laguerre–Gaussian (LG) azimuthal modes as well as linearly polarized (LP) and circularly polarized (CP) laser beams striking near critical density targets were studied by using three-dimensional particle in cell (PIC) codes. Particle acceleration mechanisms have a dependence on laser polarization and it affects the energy gained by the particles. It is known that laser pulses can be polarized helically by applying the LG distribution function to the fundamental Gaussian laser profile. In this study, differently polarized laser beams with varying powers were employed to study laser driven particle acceleration and compares accelerated charged particles' energy spectra and angular distribution. It is seen that LG laser beams can accelerate higher energetic particles due to higher conversion efficiency compared to LP and CP laser beams. It is also seen that LG laser beams can collimate ions with a narrower spread compared to LP and CP beams. Furthermore, ions can have a smaller divergence angle with increasing azimuthal mode index when the laser is LG polarized. We also studied the energy deposition of these particles in a water cell obtained by the PIC codes for different laser parameters by using Geant4 Monte Carlo simulations which suggests that LG laser beam can be useful for the future hadron therapy applications.
本研究では、約0.2 PWから約100 PWの範囲のマルチペタワットレーザーについて、異なるラゲール・ガウス（LG）方位角モード、ならびに直線偏光（LP）および円偏光（CP）レーザービームが臨界密度付近のターゲットに入射する場合のシミュレーションを、三次元粒子インセル（PIC）コードを用いて実施した。粒子加速機構はレーザーの偏光に依存し、それが粒子が獲得するエネルギーに影響を及ぼす。基本ガウスレーザープロファイルにLG分布を適用することにより、レーザーパルスを螺旋偏光にできることが知られている。本研究では、異なる偏光を持つレーザービームを様々なパワーで用いてレーザー駆動粒子加速を研究し、加速された荷電粒子のエネルギースペクトルと角度分布を比較した。LGレーザービームは、LPおよびCPレーザービームと比較して高い変換効率により、より高エネルギーの粒子を加速できることが観察された。また、LGレーザービームは、LPおよびCPビームと比較して、より狭い広がりでイオンをコリメートできることも観察された。さらに、レーザーがLG偏光の場合、方位角モード指数が増加するにつれて、イオンの発散角を小さくすることができる。また、異なるレーザーパラメータに対するPICコードで得られたこれらの粒子の水セル内でのエネルギー付与を、Geant4モンテカルロシミュレーションを用いて研究し、その結果、LGレーザービームが将来のハドロン療法応用に有用である可能性が示唆された。