超薄靶材激光损伤阈值：影响激光驱动离子加速实验的对比度限制

本文研究了800纳米激光脉冲在真空环境下对不同类型自由-standing超薄箔片的单次激光诱导损伤阈值（LIDT）进行了测量，脉冲持续时间τ从50飞秒到200皮秒不等。实验结果显示，超薄箔片的激光损伤阈值 fluence（DTF）显著低于相应的块状材料。实验发现，宽带隙绝缘体目标如SiN（碳化硅氮化物）和formvar（聚对苯二甲酸乙二醇酯）比半导体和导电目标具有更高的DTF，差距大约为1-3个数量级。这表明在激光驱动离子加速实验中，选用适当的超薄靶材料对于维持激光系统的高对比度（laser contrast）至关重要。 激光诱导损伤阈值是衡量材料抵抗激光能量集中作用的能力的一个关键参数。在激光驱动离子加速中，激光的能量需要快速且有效地传输到极薄的目标，以产生高能离子束。然而，如果目标材料的LIDT过低，激光能量会在靶材上形成损伤，导致能量散失，降低离子加速效率，同时可能对实验设备造成破坏。因此，提高超薄箔片的LIDT可以减少对激光系统性能的影响，并优化实验条件，如减小光热效应，提升光质（laser quality），从而实现更精确的离子束控制。 研究中对不同类型的超薄材料进行比较，揭示了材料性质（如带隙宽度和电子结构）对LIDT的重要影响。宽带隙绝缘体由于其较低的电子激发概率，能更好地承受激光脉冲的冲击，这在设计高性能激光驱动离子加速器时提供了重要的设计依据。此外，该研究还强调了激光脉冲时间结构（即脉冲宽度τ）与LIDT的关系，较短的脉冲可能导致更高的瞬时功率密度，从而增加对材料的损伤风险。 这项研究的结果对于优化激光驱动离子加速实验中的材料选择和实验参数设置具有重要意义，它揭示了通过提高超薄靶材的激光损伤阈值来改善激光系统对比度和离子加速效果的可能性。未来的研究应进一步探讨如何在保持足够高的LIDT的同时，提高材料的透明性和激光能量传递效率，以推进高能粒子物理实验和技术的发展。