Az elektronok lézeres gyorsítása egy elektronsugarat szupererős lézersugárzással gyorsítanak . Mind az elektromágneses sugárzás általi direkt gyorsítás vákuumban vagy speciális dielektromos szerkezetekben [1] , mind a közvetett gyorsítás Langmuir-hullámban , amelyet kis sűrűségű plazmában terjedő lézerimpulzussal gerjeszt . Ezzel a módszerrel kísérletileg 8 GeV -ot meghaladó energiájú elektronsugarat állítottak elő .
A lézermező általi közvetlen gyorsítás nem hatékony, mivel egy szigorúan egydimenziós feladatnál a lézerimpulzus mezőjébe belépő elektron, miután elhagyta azt, ugyanolyan energiával rendelkezik , mint az elején, vagyis azt végre kell hajtani. gyorsulás erősen fókuszált mezőben, ahol az elektromos tér longitudinális komponense jelentős , de ilyen térben a hullám terjedési tengelye mentén a fázissebessége nagyobb, mint a fénysebesség , így az elektronok gyorsan lemaradnak a gyorsuló tértől . Ez utóbbi hatás kompenzálására olyan gázban javasolt a gyorsítás végrehajtása , ahol a relatív permittivitás nagyobb, mint egység, és a fázissebesség csökken. Ebben az esetben azonban jelentős korlát, hogy már 10 14 W/cm² nagyságrendű sugárzási intenzitásnál a gáz ionizálódik , plazmát képezve , ami a lézersugár defókuszálásához vezet. Kísérletileg ezzel a módszerrel demonstrálták egy 40 MeV energiájú elektronsugár 3,7 MeV -os modulációját [2] .
Ha egy gázban kellően intenzív lézerimpulzus terjed, akkor az ionizálódik egy nemegyensúlyi plazma képződésével, amelyben a lézersugárzás ponderomotív hatása miatt gerjeszthető az úgynevezett ébrenléti hullám - a futó Langmuir hullám . a pulzus után. Ennek a hullámnak vannak fázisai, amelyekben a hosszanti elektromos tér felgyorsul a hullámmal együtt haladó elektronok számára. Mivel a longitudinális hullám fázissebessége megegyezik a plazmában a lézerimpulzus csoportsebességével , ami csak valamivel kisebb, mint a fénysebesség, a relativisztikus elektronok meglehetősen hosszú ideig lehetnek gyorsuló fázisban, és jelentős energiára tesznek szert. Ezt az elektrongyorsítási módszert először 1979 -ben javasolták [3] .
A lézerimpulzus intenzitásának növekedésével a gerjesztett plazmahullám amplitúdója növekszik, és ennek következtében nő a gyorsulási sebesség. Megfelelően nagy intenzitás esetén a plazmahullám nemlineárissá válik, és végül összeomlik. Ebben az esetben a plazmában a lézerimpulzus-terjedés erősen nemlineáris módja jöhet létre - az úgynevezett buborék (vagy buborék) mód, amelyben a lézerimpulzus mögött buborékszerű üreg alakul ki, amely szinte teljesen elektronmentes. Ez az üreg egy hosszirányú elektromos mezőt is tartalmaz, amely képes hatékonyan gyorsítani az elektronokat.
Kísérletileg a lineáris kölcsönhatási módban 1 GeV nagyságrendű energiákra gyorsított elektronnyalábot kaptunk egy 3 cm hosszú út mentén, ebben az esetben egy vékony kapilláris formájú hullámvezetővel kompenzálták a kölcsönhatást. a lézerimpulzus diffrakciós divergenciája [4] . A lézerimpulzus teljesítményének petawatt szintre való növelése lehetővé tette az elektronok energiájának 2 GeV-ig történő növelését [5] . Az elektronenergia további növelését a gyorsuló plazmahullámba való befecskendezésének és a tényleges gyorsulási folyamat szétválasztásával sikerült elérni. 2011-ben körülbelül 0,5 GeV energiájú elektronokat kaptak ezzel a módszerrel [6] , 2013-ban pedig a 3 GeV szintet is túllépték, és a gyorsítócsatorna teljes hossza mindössze 1,4 cm volt (4 mm - befecskendezési fokozat, 1 cm - gyorsító fokozat) [7] . 2014-ben a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban kapták az első kísérleti eredményeket egy 9 cm-es kapillárisban lévő elektronok BELLA lézerrel történő gyorsítására vonatkozóan . Ezek a kísérletek 0,3 PW teljesítményű lézerimpulzussal 4 GeV-ot meghaladó energiákra való gyorsítást mutattak be, ami új rekordnak számít [8] . 2019-ben új rekord is született - 0,85 PW lézerimpulzus-csúcsteljesítmény mellett körülbelül 7,8 GeV energiájú elektronokat nyertek egy 20 cm hosszú kapillárisban [9] .
A nemlineáris kölcsönhatási módban az elért maximális energia 1,3 cm hosszú úton 1,45 GeV volt A kísérletben 110 TW teljesítményű lézerimpulzust használtunk [10] .