[论文解读] Characterization and performance of the Apollon Short-Focal-Area facility following its commissioning at 1 PW level

K. Burdonov, A. Fazzini+46 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 2

一句话总结

本文展示了阿波罗激光装置短焦距光路（SFA）光束线在1 PW峰值功率下的调试结果，输出10 J、24 fs脉冲，具有优异的空间与时间稳定性。该装置实现了高效的激光-靶耦合，可实现强粒子加速与高强度电磁脉冲生成，性能与国际领先设施相当。

ABSTRACT

We present the results of the first commissioning phase of the ``short focal length'' area (SFA) of the Apollon laser facility (located in Saclay, France), which was performed with the first available laser beam (F2), scaled to a nominal power of one petawatt. Under the conditions that were tested, this beam delivered on target pulses of 10 J average energy and 24 fs duration. Several diagnostics were fielded to assess the performance of the facility. The on-target focal spot, its spatial stability, the temporal intensity profile prior to the main pulse, as well as the resulting density gradient formed at the irradiated side of solid targets, have been thoroughly characterized, with the goal of helping users design future experiments. Emissions of energetic electrons, ions, and electromagnetic radiation were recorded, showing good laser-to-target coupling efficiency and an overall performance comparable with that of similar international facilities. This will be followed in 2022 by a further commissioning stage at the multi-petawatt level.

研究动机与目标

• 表征阿波罗激光装置短焦距光路（SFA）光束线在1 PW峰值功率下的调试后性能。
• 评估目标靶上的激光强度、焦点稳定性及时间轮廓，以支持未来用户实验。
• 通过测量高能电子、离子及电磁辐射，评估激光-靶耦合效率。
• 为未来高强度激光-物质相互作用实验提供全面的诊断基准。

提出的方法

• 阿波罗激光系统F2光束线在1 PW峰值功率下运行，输出10 J脉冲，脉宽24 fs，6小时内强度均方根稳定性达1.5%。
• 采用52单元变形镜的自适应光学系统实现约70%的斯特鲁维比（Strehl ratio），确保高光束质量。
• 部署了一套诊断系统，包括用于质子检测的无线电色度胶片、用于光束反射成像的光谱仪板，以及具备空间分辨能力的聚焦光谱仪。
• 电磁场探针（D-dot与B-dot传感器）在真空中以高时间分辨率测量电场与磁场。
• 通过高次谐波产生（HHG）诊断系统捕获照射固体靶后的激光光谱。
• 采用GEANT4模拟模型计算中子生成与闪烁体响应，用于飞行时间验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿波罗SFA光束线在1 PW下的目标靶上强度与时间轮廓为何？
• RQ2 在长时间运行下，焦点与激光光束的稳定性如何？
• RQ3 激光-靶耦合在产生高能电子、离子及电磁辐射方面的效率如何？
• RQ4 实测的电磁脉冲（EMP）特性与模拟结果及预期相比如何？
• RQ5 诊断系统在捕捉关键激光-等离子体相互作用参数方面的表现如何？

主要发现

• 阿波罗SFA在1 PW峰值功率下输出10 J、24 fs脉冲，6小时内强度均方根稳定性达1.5%，证实系统运行稳定。
• 通过自适应光学系统实现约70%的斯特鲁维比，表明光束质量高，波前校正效果显著。
• 无线电色度胶片检测到最大能量达28 MeV的质子，证实固体靶上高效离子加速。
• 通过D-dot与B-dot探针在真空中原位测量电磁脉冲（EMP），在约1.5 µs处观察到明显信号峰值，与中子飞行时间模拟结果一致。
• 高次谐波产生诊断显示宽带光谱，与相对论性激光-等离子体相互作用特征一致。
• 光学转换荧光（OTR）成像确认了激光在靶上焦点的空间分布，由于f/6成像抛物面镜分辨率有限，焦点尺寸较大。