The multi-petawatt (PW) lasers currently being built in Europe as part of the Extreme Light Infrastructure (ELI) project will be capable of generating femtosecond light pulses of ultra-relativistic intensities (~10 23 –10 24 W/cm 2 ) that have been unattainable so far. Such laser pulses can be used for the production of high-energy ion beams with unique features that could be applied in various fields of scientific and technological research. In this paper, the prospect of producing ultra-intense (intensity ≥10 20 W/cm 2 ) ultra-short (pico- or femtosecond) high-energy ion beams using multi-PW lasers is outlined. The results of numerical studies on the acceleration of light (carbon) ions, medium-heavy (copper) ions and super-heavy (lead) ions driven by a femtosecond laser pulse of ultra-relativistic intensity, performed with the use of a multi-dimensional (2D3 V) particle-in-cell code, are presented, and the ion acceleration mechanisms and properties of the generated ion beams are discussed. It is shown that both in the case of light ions and in the case of medium-heavy and super-heavy ions, ultra-intense femtosecond multi-GeV ion beams with a beam intensity much higher (by a factor ~10 2 ) and ion pulse durations much shorter (by a factor ~10 4 –10 5 ) than achievable presently in conventional radio frequency-driven accelerators can be produced at laser intensities of 10 23 W/cm 2 predicted for the ELI lasers. Such ion beams can open the door to new areas of research in high-energy density physics, nuclear physics and inertial confinement fusion.

中文翻译：

---

多脉冲激光驱动的超强超短离子束

作为极光基础设施 (ELI) 项目的一部分，目前在欧洲建造的多拍瓦 (PW) 激光器将能够产生超相对论强度 (~10 23 –10 24 W/cm 2 ) 的飞秒光脉冲，迄今为止是遥不可及的。这种激光脉冲可用于产生具有独特功能的高能离子束，可应用于科学和技术研究的各个领域。在本文中，概述了使用多PW 激光器产生超强（强度≥10 20 W/cm 2 ）超短（皮秒或飞秒）高能离子束的前景。由超相对论强度的飞秒激光脉冲驱动的轻（碳）离子、中重（铜）离子和超重（铅）离子加速的数值研究结果，介绍了使用多维 (2D3 V) 细胞内粒子代码执行的实验，并讨论了离子加速机制和生成的离子束的特性。结果表明，在轻离子和中重离子和超重离子的情况下，超强飞秒多 GeV 离子束的束强度要高得多（约 10 2 倍）和离子可以在 ELI 激光器预测的 10 23 W/cm 2 激光强度下产生比传统射频驱动加速器目前可实现的脉冲持续时间短得多（约 10 4 –10 5 倍）。这种离子束可以为高能量密度物理学、核物理学和惯性约束聚变等新的研究领域打开大门。并讨论了离子加速机制和所产生离子束的性质。结果表明，在轻离子和中重离子和超重离子的情况下，超强飞秒多 GeV 离子束的束强度要高得多（约 10 2 倍）和离子ELI 激光器预测的激光强度为 10 23 W/cm 2 时，可以产生比传统射频驱动加速器目前可实现的脉冲持续时间短得多（约 10 4 –10 5 倍）。这种离子束可以为高能量密度物理学、核物理学和惯性约束聚变等新的研究领域打开大门。并讨论了离子加速机制和所产生离子束的性质。结果表明，在轻离子和中重离子和超重离子的情况下，超强飞秒多 GeV 离子束的束强度要高得多（约 10 2 倍）和离子可以在 ELI 激光器预测的 10 23 W/cm 2 激光强度下产生比传统射频驱动加速器目前可实现的脉冲持续时间短得多（约 10 4 –10 5 倍）。这种离子束可以为高能量密度物理学、核物理学和惯性约束聚变等新的研究领域打开大门。超强飞秒多 GeV 离子束，其光束强度比目前在传统射频驱动加速器中可实现的要高得多（约 10 2 倍）和离子脉冲持续时间短得多（约 10 4 –10 5 倍）可以在为 ELI 激光器预测的 10 23 W/cm 2 激光强度下生产。这种离子束可以为高能量密度物理学、核物理学和惯性约束聚变等新的研究领域打开大门。超强飞秒多 GeV 离子束，其光束强度比目前在传统射频驱动加速器中可实现的要高得多（约 10 2 倍）和离子脉冲持续时间短得多（约 10 4 –10 5 倍）可以在为 ELI 激光器预测的 10 23 W/cm 2 激光强度下生产。这种离子束可以为高能量密度物理学、核物理学和惯性约束聚变等新的研究领域打开大门。