公开了用于设计激光加速的离子束的方法。该方法包括对系统建模，该系统包括重离子层、电场和具有包括最大轻正离子能量的能量分布的高能量轻正离子，使用所述模型，将重离子层的物理参数、电场和最大轻正离子能量相关联，并改变该重离子层的参数以优化该高能量轻正离子的能量分布。一种方法包括使用二维单元内粒子(PIC)仿真和一维分析模型，分析通过高功率激光脉冲和双层靶的相互作用对于轻正离子例如质子的加速。在该模型中，被加速的轻正离子例如质子获得的最大能量依赖于重离子层的物理特性－电子－离子质量比和离子的有效电荷状态。对于电子和重离子种类的动力流体方程求解，以及使用对于质子的测试粒子近似。发现重离子运动改变了纵向电场分布，由此改变了对于轻正离子的加速条件。