La aceleración láser de iones es el proceso de acelerar un haz de iones usando radiación láser superfuerte. Por lo general, el proceso de aceleración se lleva a cabo cuando se irradia un objetivo sólido , pero también existen esquemas para la aceleración de iones en objetivos de gas . Se considera que los esquemas más prometedores son la aceleración por una capa superficial de electrones calentados y presión ligera. Mediante radiación láser se obtuvieron iones con energías de hasta 55 MeV .
Los iones acelerados por láser se observaron experimentalmente por primera vez en 1999 en las instalaciones de láser Nova en el Laboratorio Nacional de Livermore . Cuando se irradió un objetivo sólido con un pulso láser con una intensidad de 10 20 W/cm² desde el reverso del objetivo, se observó la generación de iones energéticos, con una energía cuasi-térmica dispersa con una energía máxima de aproximadamente 55 MeV. [1] .
Este fenómeno fue explicado por el mecanismo de la llamada aceleración por la capa superficial de electrones calentados. Su esencia radica en el hecho de que un pulso láser, al interactuar con un objetivo, ioniza su sustancia con la formación de un plasma de alta densidad . En este caso, los electrones del plasma formado se calientan a temperaturas relativistas , acompañados de la expansión de la nube de electrones formada mucho más allá del objetivo. La expansión da lugar a la aparición de un campo de separación de carga electrostática , que a su vez acelera los iones.
Para obtener espectros cuasi-monoenergéticos de iones acelerados, se propuso utilizar objetivos compuestos, que son láminas delgadas de un metal pesado ( oro , platino , etc.) con una capa ultrafina de átomos ligeros depositados en la superficie: hidrógeno o carbono . Durante la interacción, los iones pesados permanecen prácticamente inmóviles, mientras que los más ligeros se aceleran efectivamente, formando un haz de iones de aproximadamente la misma energía.
Un esquema de aceleración alternativo es la aceleración de presión ligera [2] . Su idea es que cuando se irradia una lámina ultrafina (de unos 10 nm ) formada por elementos ligeros (por ejemplo, hidrógeno y/o carbono), la presión de la luz ejercida por pulsos láser enfocados con una potencia de más de 10 TW puede ser suficiente para acelerar efectivamente el objetivo como un todo. Este método, propuesto en 2004 [3] , se implementó experimentalmente recién en 2009 . Un experimento realizado en el Instituto Max Born utilizó un pulso de láser de 20 TW de alto contraste para irradiar películas de carbono con un grosor que oscilaba entre 2,9 nm y 40 nm. El resultado óptimo se obtuvo para una película de 5,3 nm de espesor: se registraron iones de carbono de seis cargas, que tenían una energía de unos 30 MeV [4] .