In this paper, we report on multiple phases of efficient laser-driven ion acceleration from near-critical density plasma of Gaussian density profile. Tracking of high-energy accelerated ions in multidimensional particle-in-cell simulations reveals the development of accelerating fields affecting the particles and the contribution of each acceleration phase to final ion energies. While the acceleration of ions occurs in a short time interval when a steep (infinite) density gradient is present, the accelerating field affecting the most energetic ions has unexpected local maxima about 50 fs after the moment when ultrashort (30 fs) laser pulse completely left the target with smooth density gradients. This field can be attributed to the apex of electron filament created behind the transmitted laser pulse. Full 3D simulation confirms the observations in 2D simulations in terms of ion acceleration mechanisms. However, it shows a substantial reduction of maximum achievable ion energies and a larger angular spread of accelerated ions compared with 2D approach, which demonstrates the necessity of using computationally demanding full 3D geometry for similar numerical studies.
本論文では、ガウス型密度分布を持つ準臨界密度プラズマからの効率的なレーザー駆動イオン加速における複数の位相について報告する。多次元粒子シミュレーションにおける高エネルギー加速イオンの追跡により、粒子に影響を及ぼす加速場の形成と、各加速位相が最終的なイオンエネルギーへ与える寄与が明らかになった。急峻な（無限大の）密度勾配が存在する場合、イオン加速は短い時間間隔で発生する一方、最も高エネルギーのイオンに影響を及ぼす加速場は、超短パルス（30 fs）レーザーが滑らかな密度勾配を持つターゲットを完全に通過した後、約50 fsの時点で予期しない極大値を示す。この場は、透過したレーザーパルスの背後に生成される電子フィラメントの先端に起因するものである。完全3次元シミュレーションは、イオン加速メカニズムに関して2次元シミュレーションの観測結果を裏付けるものである。しかしながら、最大到達イオンエネルギーにおいては大幅な減少が、また加速イオンの角度分布においてはより大きな広がりが示され、同様の数値研究には計算負荷の高い完全3次元ジオメトリが必要であることが実証された。