Лазерное ускорение электронов

Прямое ускорение лазерным полем малоэффективно, поскольку в строго одномерной задаче электрон, попадающий в поле лазерного импульса, после выхода из него имеет ту же энергию, что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля, но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света, поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе, где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10¹⁴ Вт/см² газ ионизируется, образуя плазму, что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ[2].

При распространении достаточно интенсивного лазерного импульса в газе происходит его ионизация с образованием неравновесной плазмы, в которой за счёт пондеромоторного воздействия лазерного излучения возможно возбуждения так называемой кильватерной волны — ленгмюровской волны, бегущей вслед импульсу. В этой волне имеются фазы, в которых продольное электрическое поле является ускоряющим для электронов, бегущих вместе с волной. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, релятивистские электроны могут находиться в ускоряющей фазе достаточно длительное время, приобретая значительную энергию. Этот метод ускорения электронов был впервые предложен в 1979 году[3].

При увеличении интенсивности лазерного импульса увеличивается амплитуда возбуждаемой плазменной волны и, как следствие, увеличивается темп ускорения. При достаточно высоких интенсивностях плазменная волна становится нелинейной и, в конце концов, обрушается. При этом возможно возникновение сильно нелинейного режима распространения лазерного импульса в плазме — так называем пузырьковый (или баббл-) режим, в котором позади лазерного импульса образуется полость, похожая на пузырёк, практически полностью лишённая электронов. В этой полости также имеется продольное электрическое поле, способное эффективно ускорять электроны.

Экспериментально в линейном режиме взаимодействия был получен пучок электронов, ускоренный до энергий порядка 1 ГэВ на трассе длиной 3 см. Для компенсации дифракционной расходимости лазерного импульса в этом случае дополнительно использовался волновод в виде тонкого капилляра[4]. Увеличение мощности лазерного импульса до уровня петаватта позволило повысить энергию электронов до 2 ГэВ[5]. Дальнейшее увеличение энергии электронов было достигнуто за счёт разделения процессов их инжекции в ускоряющую плазменную волну и собственно процесса ускорения. Этим методом в 2011 году были получены электроны с энергией около 0,5 ГэВ[6], а в 2013 году был превышен уровень 3 ГэВ, причём общая длина ускорительного канала составила всего 1,4 см (4 мм — инжекционный этап, 1 см — ускорительный этап)[7]. В 2014 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли были получены первые экспериментальные результаты по ускорению электронов в капилляре длиной 9 см при помощи лазера BELLA. В этих экспериментах было продемонстрировано ускорение до энергии, превышающей 4 ГэВ, лазерным импульсом мощностью 0,3 ПВт, что стало новым рекордом[8]. В 2019 году там же был установлен новый рекорд — при пиковой мощности лазерного импульса 0,85 ПВт были получены электроны с энергией около 7,8 ГэВ в капилляре длиной 20 см[9].

В нелинейном режиме взаимодействия максимально достигнутая энергия составила 1,45 ГэВ на трассе длиной 1,3 см. В эксперименте использовался лазерный импульс мощностью 110 ТВт[10].

• Лазерное ускорение ионов
• Кильватерное ускорение