问题——紧凑型高品质离子源需求迫切，实验性能仍待跨越“应用门槛” 强激光驱动离子加速因具备装置紧凑、脉冲超短、峰值流强高等特点，被认为有望形成新一代离子源，肿瘤放疗、质子照相、同位素制备以及聚变快点火等方向具有潜在应用价值。但从工程应用角度看，离子束品质与可重复性是决定能否落地的关键指标。目前，多数实验条件下获得的质子束在能量提升、稳定性控制及参数可预测性上，与实际应用仍存差距。如何在可实现的实验条件内稳定产生更高能、更可控的质子束，成为国际强场激光与高能密度物理的重要课题。 原因——预脉冲不可避免，“靶前增益”与“靶后损耗”并存，决定加速上限 在众多激光离子加速机制中，靶后法线鞘层加速（TNSA）因实验条件相对易实现、束流参数较稳定而被广泛研究。其基本过程是：主激光脉冲与靶相互作用后产生大量高能电子，这些电子穿透至靶背面形成极强鞘层静电场，进而电离并加速靶后离子（常以质子为主），实现高能输出。 然而，对超短超强激光装置而言，在主脉冲到达前的皮秒至纳秒时间尺度内，预脉冲往往难以完全消除。预脉冲会提前加热与电离靶材，使其膨胀形成预等离子体，改变主脉冲能量耦合方式与电子产生效率。更复杂的是，预等离子体对加速过程具有“双刃剑”效应：靶前适度的预等离子体可能提升主激光吸收并增强电子加速；而靶后预等离子体则可能削弱鞘层场强度与边界陡峭度，导致质子加速效率下降。如何在两者间取得最优平衡，是提升TNSA性能的关键变量。 影响——实验给出“中等对比度更优”的明确证据，拓展拍瓦级参数区间认知 科研团队在“羲和”激光装置上开展系统性对比实验。实验条件显示：到靶激光功率约2拍瓦，脉宽30飞秒，峰值光强达1.2×10^21瓦/平方厘米，入射角约15度；靶材采用1—30微米厚的铜平面靶，并在靶后法向布置辐射变色膜堆栈与汤姆逊谱仪，测量质子束空间分布与能谱特性。 研究设置了低、中、高三类激光对比度条件：低对比度在纳秒和皮秒域均存在较强预脉冲；中等对比度主要体现为皮秒域存在较弱预脉冲；高对比度则通过等离子体镜继续抑制预脉冲影响。 结果显示，不同对比度条件下的最佳靶厚存在显著差异：低对比度约为2微米，中等对比度约为4微米，高对比度则提升至约15微米，表明预脉冲对靶材预处理程度会改变最优能量耦合窗口。更为关键的是，在三者对比中，中等对比度条件获得最高质子截止能量，达到58.9MeV。这个发现提示：并非对比度越高越能带来最佳质子加速输出，“适度预脉冲”可能在拍瓦级超强光场中形成更优的综合效应。 对策——通过机理刻画与参数优化，走向“可设计的预等离子体” 为解释实验现象并给出可复用的优化策略，研究团队结合流体模拟与粒子网格模拟开展机理分析。模拟结果表明：靶前预等离子体的存在能够增强电子加速，提升电子温度与有效电子数量，从而抬升靶后鞘层场驱动能力；而靶后预等离子体则会使鞘层场“变钝”、衰减加快，削弱质子获得高能的条件。 在中等对比度条件下，靶前预等离子体标长相对更有利于增强电子加速，同时靶后预等离子体标长较短，能够降低鞘层场被削弱的程度，两者共同构成“前强后稳”的最优组合。由此，研究提示下一步提升TNSA质子束应从两上联合推进：一是以更精细的对比度调控与脉冲整形，获得可控预脉冲水平；二是结合靶材厚度、表面结构与材料设计，主动“设计”靶前预等离子体形态，同时抑制靶后不利膨胀，形成可预测、可复制的最佳加速条件。 前景——向100MeV目标迈进，支撑应用验证与装置能力升级 全球多座拍瓦级飞秒激光装置相继建成并投入运行的背景下，拍瓦条件下TNSA机制的性能边界与优化规律正成为国际竞争焦点。本次研究将预等离子体效应的认识拓展至数拍瓦、10^21瓦/平方厘米量级的更大参数空间，对提升TNSA质子源的能量上限与稳定输出具有示范意义。 据团队展望，随着“羲和”装置在焦斑质量、能量汇聚效率及更高功率输出各上完善，主脉冲有效光强有望继续提升；同时配合更精细的对比度工程与靶设计策略，未来实现100MeV级高能质子束具备现实路径。这将为后续开展面向医学放疗、材料诊断与核技术对应的方向的应用验证奠定基础，也为我国在强激光驱动粒子源领域形成持续创新优势提供支撑。
科技创新是推动人类文明进步的重要引擎。此次研究不仅在理论层面深化了对激光离子加速机制的认识,更为有关技术走向实际应用开辟了新路径。据悉,羲和激光装置将继续优化激光焦斑、提升激光功率以获得更高光强,有望实现100兆电子伏高能质子束的突破。该进展体现了我国在强激光科学领域的技术实力,也为医疗、能源等领域的技术革新提供了有力支撑,体现出基础研究服务国家战略需求的重要价值。