Numerical modelling of laser-driven proton acceleration with nanostructured targets and TW class lasers

Laser-driven proton sources seem interesting for many applications (e.g. non-destructive material analysis). Their low space and investment needs can help spread such techniques when the use of conventional radiation sources is prohibitive. Among the others, Double-Layer Targets (DLTs) are a promising way to optimise the coupling between the laser and solid targets to enhance proton acceleration and can be produced at Nanolab (Politecnico di Milano) growing low-density (few mg/cm^3) nanofoams on top of metallic substrates. DLT can be modelled using Diffusion-Limited Cluster-Cluster aggregation (DLCCA) algorithms and particle-in-cell simulations. In this thesis work, a comprehensive investigation of the numerical modelling of proton acceleration driven by the interaction of two examples of class-TW lasers (20 TW and sub-TW) with DLTs is presented. A characterisation of the numerical foams produced with a proprietary DLCCA code and a vast two and three-dimensional PIC campaign using WarpX and Smilei codes were performed to analyse the optimal configuration and explore the influence of different processes in proton acceleration with such lasers. The DLCCA code is proven to provide numerical foams emulating realistic ones obtained in experiments. Also, a method to produce foams having the desired density and thickness with the code is proposed. Then, the modelling choices for the interaction of the two lasers with DLTs are discussed and the most suitable for each case is proposed. The field ionisation was shown negligible in the 20 TW case, while fundamental in the other. The nanostructure description resulted crucial in both cases. The 20 TW laser was proven able to provide protons with energy up to 15 MeV in a 200 nm-thick substrate, 4.0 µm-thick optimised foam configuration, while the sub-TW protons with energy up to 100 keV (laser intensity FWHM 10 fs, foam of 3.0 µm and 1.7x10^27} m^(-3) density). Lastly, the possible application of such class-TW laser-driven sources for PIXE is discussed. Only the 20 TW laser is promising in the studied configuration. An interesting trend in foam ion acceleration is shown in the sub-TW one.

Le sorgenti di protoni da laser risultano interessanti per varie applicazioni come l'analisi non distruttiva di materiali per le loro ridotte esigenze di spazio e di investimento. I Double-Layer Targets (DLT) sono un modo promettente per ottimizzare l'accoppiamento tra laser e target solidi e aumentare l'efficienza del processo di accelerazione dei protoni. La produzione di questi target presso il Nanolab (Politecnico di Milano) avviene attraverso la deposizione di nano-schiume a bassa densità (pochi mg/cm^3) su substrati metallici. Algoritmi di aggregazione Diffusion-Limited Cluster-Cluster(DLCCA) e simulazioni particle-in-cell rendono possibile la modellazione dell'interazione tra laser e DLT. In questo il lavoro di tesi, viene presentata un'indagine sulla modellazione numerica dell'interazione di laser di classe TW (20 TW e sub-TW) con DLT per accelare protoni. Si è eseguita una caratterizzazione di schiume numeriche prodotte con un codice proprietario DLCCA e una campagna di PIC 2D e 3D utilizzando i codici WarpX e Smilei. Lo scopo era analizzare la configurazione ottimale ed esplorare l'influenza di diversi processi nell'accelerazione dei protoni con tali laser. Il codice DLCCA si è dimostrato in grado di fornire schiume numeriche che emulano quelle realistiche ottenibili dagli esperimenti. Inoltre, si propone un metodo per produrre schiume con densità e spessore desiderati usando il codice. Viene, poi, discussa la modellazione dell'interazione dei due laser con i DLT e si propone la più adatta per ogni caso. La ionizzazione di campo si è dimostrata trascurabile nel caso da 20 TW, ma fondamentale nell'altro. Descrivere la nanostruttura è risultato fondamentale in entrambi i casi. Il laser da 20 TW si è dimostrato in grado di fornire protoni con un'energia massima fino a 15 MeV con un substrato di 200 nm di spessore e una schiuma di spessore 4 µm e densità ottimale. Si possono produrre protoni con un'energia fino a 100 keV (intensità laser FWHM 10 fs, schiuma densa 1,7x10^27 m^(-3) di spessore 3,0 µm) con il laser sub-TW. Il laser da 20 TW è promettente in applicazioni PIXE. Il laser sub-TW mostra invece un interessante trend nell'accelerazione degli ioni della schiuma.