Intense beams of protons and heavy ions have been observed in ultra-intense laser–solid interaction experiments. Thereby, a considerable fraction of the laser energy is transferred to collimated beams of energetic ions (e.g. up to 50 MeV protons; 100 MeV fluorine), which makes these beams highly interesting for various applications. Experimental results indicate a very short-pulse duration and an excellent beam quality, leading to beam intensities in the TW range. To characterize the beam quality and its dependence on laser parameters and target conditions we performed experiments using the 100 TW laser system at Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses at the Ecole Polytechnique, France, with focused intensities exceeding 1019 W cm−2. We found a strong dependence on the target rear surface conditions allowing to tailor the ion beam by an appropriate target design. We also succeeded in the generation of heavy ion beams by suppressing the proton amount at the target surface. We will present recent experimental results demonstrating a transverse beam emittance far superior to the accelerator based ion beams. Finally, we will discuss the prospect of laser accelerated ion beams as new diagnostics in laser–solid interaction experiments. Special fields of interest are proton radiography, electric field imaging, and relativistic electron transport inside the target.
超強力レーザーと固体の相互作用実験において、陽子および重イオンの強力なビームが観測されている。これにより、レーザーエネルギーのかなりの割合が、指向性の高い高エネルギーイオンビーム（例えば、最大50 MeVの陽子、100 MeVのフッ素）へと変換されることが示されており、これらのビームは様々な応用において非常に有望視されている。実験結果は、パルス持続時間が非常に短く、ビーム品質に優れ、テラワット級のビーム強度に達することを示している。ビーム品質とそのレーザーパラメータおよびターゲット条件への依存性を特徴付けるため、フランスのエコール・ポリテクニークにあるLaboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intensesの100 TWレーザーシステムを用いて、焦点強度が10¹⁹ W cm⁻²を超える実験を行った。その結果、ターゲットの裏面状態に強く依存することが判明し、適切なターゲット設計によりイオンビームを調整できることが示された。さらに、ターゲット表面の陽子量を抑制することにより、重イオンビームの生成に成功した。本発表では、従来の加速器によるイオンビームよりもはるかに優れた横方向エミッタンスを示す最近の実験結果を紹介する。最後に、レーザー加速イオンビームをレーザー固体相互作用実験における新しい診断ツールとして用いる可能性について議論する。特に、陽子ラジオグラフィー、電場イメージング、およびターゲット内部の相対論的電子輸送の研究に焦点を当てる。