La aceleración láser de electrones es el proceso de acelerar un haz de electrones utilizando radiación láser superfuerte. Son posibles tanto la aceleración directa por radiación electromagnética en el vacío o en estructuras dieléctricas especiales [1] como la aceleración indirecta en una onda de Langmuir excitada por un pulso láser que se propaga en un plasma de baja densidad . Mediante este método se han obtenido experimentalmente haces de electrones con energías superiores a 8 GeV .
La aceleración directa por un campo láser es ineficaz, ya que en un problema estrictamente unidimensional, un electrón que ingresa al campo de un pulso láser, después de salir de él, tiene la misma energía que al principio, es decir, se requiere para realizar aceleración en campos fuertemente enfocados, en los que la componente longitudinal del campo eléctrico es significativa , pero en tales campos , la velocidad de fase de la onda a lo largo del eje de propagación es mayor que la velocidad de la luz , por lo que los electrones se retrasan rápidamente con respecto al campo de aceleración . Para compensar este último efecto, se propuso realizar una aceleración en un gas , donde la permitividad relativa es mayor a la unidad, y la velocidad de fase disminuye. Sin embargo, en este caso, una limitación importante es que ya a intensidades de radiación del orden de 10 14 W/cm², el gas se ioniza , formando un plasma , lo que conduce al desenfoque del haz láser. Experimentalmente, este método se utilizó para demostrar la modulación de 3,7 MeV de un haz de electrones con una energía de 40 MeV [2] .
Cuando un pulso de láser suficientemente intenso se propaga en un gas, se ioniza con la formación de un plasma fuera del equilibrio, en el que, debido al efecto ponderomotriz de la radiación láser, es posible excitar la llamada onda de estela: la onda de Langmuir que corre . después del pulso. Esta onda tiene fases en las que el campo eléctrico longitudinal se acelera para que los electrones viajen junto con la onda. Dado que la velocidad de fase de una onda longitudinal es igual a la velocidad de grupo de un pulso láser en el plasma, que es solo un poco menor que la velocidad de la luz, los electrones relativistas pueden estar en la fase de aceleración durante bastante tiempo, adquiriendo una energía significativa. Este método de aceleración de electrones se propuso por primera vez en 1979 [3] .
A medida que aumenta la intensidad del pulso láser, aumenta la amplitud de la onda de plasma excitada y, como consecuencia, aumenta la tasa de aceleración. A intensidades suficientemente altas, la onda de plasma se vuelve no lineal y eventualmente colapsa. En este caso, puede surgir un modo fuertemente no lineal de propagación del pulso láser en el plasma: el llamado modo burbuja (o burbuja), en el que se forma una cavidad similar a una burbuja detrás del pulso láser, casi completamente desprovista de electrones. Esta cavidad también contiene un campo eléctrico longitudinal capaz de acelerar electrones de manera efectiva.
Experimentalmente, en el modo de interacción lineal, se obtuvo un haz de electrones acelerado a energías del orden de 1 GeV a lo largo de un camino de 3 cm de longitud, en este caso adicionalmente se utilizó una guía de onda en forma de delgado capilar para compensar la divergencia de difracción del pulso láser [4] . Un aumento en la potencia del pulso láser al nivel de un petavatio hizo posible aumentar la energía de los electrones hasta 2 GeV [5] . Se logró un aumento adicional en la energía de los electrones separando los procesos de su inyección en la onda de plasma acelerada y el proceso de aceleración real. En 2011, se obtuvieron electrones con una energía de alrededor de 0,5 GeV por este método [6] , y en 2013 se superó el nivel de 3 GeV, y la longitud total del canal del acelerador fue de solo 1,4 cm (4 mm - etapa de inyección, 1 cm - etapa de aceleración) [7] . En 2014 se obtuvieron los primeros resultados experimentales sobre la aceleración de electrones en un capilar de 9 cm utilizando el láser BELLA en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Estos experimentos demostraron la aceleración a energías superiores a 4 GeV por un pulso láser con una potencia de 0,3 PW, lo que supuso un nuevo récord [8] . En 2019, también se estableció allí un nuevo récord: con una potencia máxima de pulso láser de 0,85 PW, se obtuvieron electrones con una energía de aproximadamente 7,8 GeV en un capilar de 20 cm de largo [9] .
En el modo de interacción no lineal, la energía máxima alcanzada fue de 1,45 GeV en un camino de 1,3 cm de largo.En el experimento se utilizó un pulso láser con una potencia de 110 TW [10] .