基于纳米靶材的激光加速物理与应用研究

    光强达到相对论强度（10^18 W/cm^2）的超强激光与物质相互作用时，可驱动大量电子的集体运动，产生比射频加速器电场强一百万倍的超强电场，在飞秒-微米时空尺度内就能将带电粒子加速至接近光速，是一种变革性的新型粒子加速方法。如在加速的同时剧烈地扭摆电子，还可产生瞬态亮度媲美大型光源的高亮度辐射。而要实现高效的粒子加速，需要利用靶材的结构与物性，精准调控加速场的结构，控制其演化。我们致力于使用纳米材料与微纳加工技术，构筑出自然界不存在的靶材，通过亚波长尺度加速结构的设计，实现最优化的激光加速过程，并格外关注激光加速器研发中的关键科学与技术问题。在高能离子加速、高亮度x/γ光源、激光加速靶材科学、先进打靶技术等领域取得了一批有国际影响的成果。与韩国高等技术研究院、德国慕尼黑大学、英国卢瑟福实验室、法国巴黎理工学院等建立了广泛深入的国际合作关系。

目前我的主要研究方向有：

     1. 激光加速产生高能质子、重离子

    通过激光加速可获得能量在百MeV量级的质子和GeV量级的重离子，开发出变革性的激光驱动的质子/重离子放疗装置。利用先进靶材构建最优加速结构，在实验中产生高能的质子与重离子是我们重要的研究方向。

    代表性工作：

        Physical Review X, 11, 021049 (2021)：利用纳米金靶1.2GeV高能金离子，将原纪录提高6倍

    Physical Review Letters 122 , 014803 (2019)：采用双层复合纳米靶产生580MeV高能碳离子，将原纪录提高2.5倍

        Physical Review Letters 115, 064801 (2015)：首次使用碳纳米管实现等离子体透镜，用于离子加速，产生250MeV碳离子

   2. 基于纳米靶体系的高亮度光源

     在激光加速电子的同时强烈扭摆电子，会产生从太赫兹到伽马光波段的超高亮度辐射。相比于传统的大型光源，这些新型光源有着源尺度小、瞬态亮度高、设备紧凑、灵活度高等优点。基于纳米靶体系的高亮度光源的研发是我们的重要方向之一。

    代表性工作：

     Nature Photonics 17, 137–142 (2023): 高亮度飞秒硬X射线脉冲

    Physical Review Letters 113, 235002 (2014): 基于双层纳米薄膜靶的孤立阿秒脉冲

    New Journal of Physics, 23，053003 (2021)：基于临界密度等离子体的孤立阿秒脉冲

       Optics Express 29, 5427 (2021)：基于纳米线阵列的高亮度水窗波段x射线源

    3. 激光加速器中的靶材科学与打靶技术

    激光加速器要想像传统加速器那样长时间稳定输出束流，深刻理解靶材物性对加速过程影响、精密控制靶材质量及发展可实现重频连续打靶先进打靶技术是关键所在。

     代表性工作：

      High Power Laser Science and Engineering 9, 29 (2021) ：碳纳米管靶材制备方法

     High Power Laser Science and Engineering 8, 41 (2020) ：激光加速用主要靶材的损伤阈值研究

     High Power Laser Science and Engineering 5, 12 (2017)：Hz级重频打靶系统

     Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A，655(1): 53-56 (2011)：类金刚石纳米靶制备方法

    4. 激光加速超快离子束流应用

    激光加速中所有离子都是在激光到靶后百飞秒尺度内产生的，可利用这种超短离子束流开展超快化学、FLASH放疗、质子超声、超高流强辐射探测器等领域的研究。

    代表性工作：

    Cell and Developmental Biology, 9, 672929 (2021)：FLASH辐照方式下癌干细胞辐照抗性

          Cell and Developmental Biology,9,672693 (2021)：FLASH辐照方式下正常细胞辐射抗性增强与细胞氧分压水平的关系