The interaction of a relativistic laser pulse (1018 W cm−2µm2) with foil targets can accelerate ions to energies of tens of MeV u−1 with optimized laser and target parameters. We report the results on simulations of the interaction of a 6.0 × 1020 W cm−2 laser pulse incident on ultrathin (10–500 nm) titanium foils to investigate the roles of laser pulse duration and ionization mechanisms in the acceleration of titanium ions. While holding peak intensity constant, two laser pulse durations were investigated, 140 and 650 fs. The optimum thickness is dependent on pulse duration, as it requires the concurrence of target transparency with the incidence of the peak laser intensity. The collisional processes do not play a significant role in Ti ion beam generation from the 140 fs laser pulse duration at the optimum thickness (30 nm). However, for the 650 fs laser optimum, collisions improve the conversion efficiency of highly energetic (10 MeV u−1), high charge titanium (Ti21 − 22 +) by a factor of 20, and the titanium ion cutoff energy by ∼15%. This improvement is due to the fact that collisional ionization increases the electron density of the plasma, which delays the time of relativistic transparency, causing collisions to decrease the optimum foil thickness from 150 to 100 nm. Additionally, collisional ionization increases the charge-to-mass ratio of the titanium, and injects more electrons into the accelerating sheath field. At the optimum thickness, target normal sheath acceleration is the dominant mechanism of acceleration, with additional contributions from radiation pressure and shock wave acceleration.
相対論的レーザーパルス（10¹⁸ W cm⁻² µm²）とフォイルターゲットとの相互作用により、最適化されたレーザーおよびターゲットパラメータを用いることで、イオンを数十 MeV u⁻¹ のエネルギーまで加速できる。我々は、6.0 × 10²⁰ W cm⁻² のレーザーパルスが極薄（10–500 nm）チタンフォイルに入射する相互作用のシミュレーション結果を報告し、チタンイオン加速におけるレーザーパルス持続時間と電離機構の役割を調査する。ピーク強度を一定に保ちながら、140 fs と 650 fs の2つのレーザーパルス持続時間を調査した。最適な厚さはパルス持続時間に依存し、これはレーザーピーク強度の入射とターゲットの透明化が同時に起こることを必要とするためである。衝突過程は、最適な厚さ（30 nm）における 140 fs レーザーパルスからの Ti イオンビーム生成において重要な役割を果たさない。しかし、650 fs レーザーの最適条件では、衝突電離が高エネルギー（10 MeV u⁻¹）の高電荷チタン（Ti²¹⁺–Ti²²⁺）の変換効率を20倍向上させ、チタンイオンのカットオフエネルギーを約15%向上させる。この改善は、衝突電離がプラズマの電子密度を増加させ、相対論的透明化のタイミングを遅延させ、その結果、衝突が最適なフォイル厚さを150 nm から100 nm へと減少させるという事実によるものである。さらに、衝突電離はチタンの電荷対質量比を増加させ、加速シース場により多くの電子を注入する。最適な厚さにおいて、ターゲット法線シース加速が支配的な加速機構であり、放射圧加速と衝撃波加速がそれに寄与する。