Experimental and theoretical studies on ultraintense laser driven ion acceleration

Since the discovery of CPA, allowing the production of ultraintense and ultrashort laser pulses, the quest for new regimes of laser-matter interaction led to the observation of several intriguing phenomena including the emission of radiation and the acceleration of particles. The latter in particular allowed to produce ion bunches to multi-MeV energies owning very peculiar properties, which can be exploited for a number of possible applications in radiotherapy, advanced diagnostics and inertial confinement nuclear fusion. Every application of laser accelerated ions requires the optimization of one or more beam parameter. To optimize a quantity a general procedure would be to get a fundamental theoretical understanding of the system, combined with novel experimental approaches. In this PhD work we focus the attention on the optimization of one of the beam parameters, that is to say the maximum energy an ion can gain in the acceleration process. The goal is achieved by a two-steps methodology: first a theoretical study of maximum proton energy dependencies on laser properties has been performed. The second part of the project has dealt with an experimental activity aimed to improve laser-driven ion acceleration in a smarter fashion, i.e. not by demanding further laser performances but by properly engineering the target properties at the nanoscale. To this end the production, characterization and testing of innovative targets for ion acceleration has been carried on.

Dall'invenzione della tecnica CPA per la produzione di impulsi laser ultraintensi e ultrabrevi, è stato possibile investigare nuovi regimi di interazione laser-materia che hanno portato alla scoperta di fenomeni di estremo interesse come l'emissione di radiazione elettromagnetica e l'accelerazione di particelle cariche. In particolare, quest'ultima ha consentito di produrre fasci di ioni con energie di decine di MeV e diverse proprietà molto peculiari, che hanno portato a studi per il loro utilizzo in applicazioni di interesse per la radioterapia, sistemi diagnostici avanzati e fusione nucleare a confinamento inerziale. Ciascuna di queste applicazioni richiede l'ottimizzazione di uno o più parametri caratteristici del fascio di ioni. In generale l'ottimizzazione di una quantità  richiede una conoscenza teorica approfondita del sistema in analisi combinata con approcci sperimentali innovativi. In questo lavoro di Dottorato si è rivolta l'attenzione sull'ottimizzazione di uno dei parametri che descrivono il fascio di ioni accelerati, ovvero la loro energia massima. Per raggiungere l'obiettivo è stata adottata una metodologia a due stadi: il primo ha portato ad uno studio teorico delle dipendenze dell'energia massima degli ioni dai parametri del sistema laser. Nella seconda parte del progetto è stato svolto un'attività  sperimentale dedita all'ottimizzazione del processo di accelerazione di ioni non attraverso il miglioramento delle prestazioni del sistema laser, ma tramite l'ingegnerizzazione alla nanoscala delle proprietà del bersaglio. A tal scopo è stata condotta la produzione, caratterizzazione e test su laser facility dei target innovativi prodotti.