2024年理论物理所重要科研进展系列（二十）：基于“慢速激光”的高能离子加速方案

本文介绍了中国科学院理论物理研究所弓正副研究员及其团队提出的一种新型离子加速方案，该方案利用速度可调的时空耦合光脉冲技术，通过控制激光包络的传播速度与离子的运动速度相匹配，实现对离子的同步、持续、高效加速。传统加速器受射频击穿限制，加速梯度最高仅能达到100 MeV/m，而紧凑型激光加速器通过等离子体波作为加速媒介，理论上可实现高出三个数量级的加速梯度（>100 GeV/m）。然而，当前激光加速离子的技术仍未达到传统加速器的能量水平，主要难点在于离子因惯性较大且移动速度较慢，难以追赶上光速传播的激光加速结构。该研究通过哈密顿动力学分析解析推导出了成功捕获和加速离子的阈值条件，并通过多维等离子体动理学模拟验证了该方案的普适性和鲁棒性。该研究成果在PRL线上发表，为解决激光离子加速中能量低这一关键问题提供了有效方案，同时也为利用时空耦合光脉冲解决等离子体物理难题提供了新的视角。