We propose to use intense optical vortex to control laser-based ion acceleration for obtaining high-quality ion beams. An acceleration field favorable for generating well-collimated energetic proton beams results from the interaction of a tailored vortex laser pulse with thin solid-density foil in a blowout regime. Three-dimensional particle-in-cell simulations show that the foil protons can be efficiently accelerated to the GeV level in the form of a beam with small radius (<1 μm), narrow divergence (<0.1 rad), and low emittance (∼0.004π mm mrad). The proton beam is of high energy density (>1018 J m−3) and high brightness (>1022 A m−2 rad−2), exceeding that of the Gaussian laser case by four orders of magnitude, and the energy conversion efficiency is about 12 times that under the same laser intensity. The scheme can also be used to accelerate heavier, such as carbon, ions. The resulting ion beams should be useful as compact neutron source, for creation of warm dense matters, as well as ion-beam direct and indirect drive inertial confinement fusion, ultrafast diagnostics of the implosion dynamics in the latter, etc.
我々は、高品質イオンビームを得るためのレーザー駆動イオン加速を制御するために、強力な光渦の使用を提案する。高コリメートされたenergetic陽子ビームを生成するのに有利な加速場は、ブローアウト領域におけるテーラード渦レーザーパルスと固体薄膜の相互作用から生じる。三次元粒子インセルシミュレーションにより、薄膜陽子は、小さな半径（<1 μm）、小さな発散角（<0.1 rad）、低エミッタンス（∼0.004π mm mrad）を持つビームとして、GeVレベルまで効率的に加速され得ることが示される。陽子ビームは、高エネルギー密度（>10¹⁸ J m⁻³）かつ高輝度（>10²² A m⁻² rad⁻²）であり、ガウシアンレーザー場合を4桁上回り、同じレーザー強度下でのエネルギー変換効率は約12倍である。このスキームは、炭素などのより重いイオンの加速にも使用できる。得られるイオンビームは、コンパクト中性子源、温かい高密度物質の生成、ならびにイオンビーム直接・間接駆動慣性核融合、後者における爆縮ダイナミクスの超高速診断などに有用であるべきである。