Accelerația laser a electronilor este procesul de accelerare a unui fascicul de electroni folosind radiații laser superputernice. Sunt posibile atât accelerația directă prin radiație electromagnetică în vid sau în structuri dielectrice speciale [1] , cât și accelerația indirectă într-o undă Langmuir excitată de un impuls laser care se propagă într- o plasmă de joasă densitate . Folosind această metodă, s-au obținut experimental fascicule de electroni cu energii care depășesc 8 GeV .
Accelerația directă de către un câmp laser este ineficientă, deoarece într-o problemă strict unidimensională, un electron care intră în câmpul unui impuls laser, după ce îl părăsește, are aceeași energie ca la început, adică este necesar să efectueze accelerația în câmpuri puternic focalizate, în care componenta longitudinală a câmpului electric este semnificativă , dar în astfel de câmpuri , viteza de fază a undei de-a lungul axei de propagare este mai mare decât viteza luminii , astfel încât electronii rămân rapid în urma câmpului de accelerație . Pentru a compensa acest din urmă efect, s-a propus să se efectueze accelerația într-un gaz , unde permitivitatea relativă este mai mare decât unitatea, iar viteza fazei scade. Cu toate acestea, în acest caz, o limitare semnificativă este aceea că deja la intensități de radiație de ordinul a 10 14 W/cm², gazul este ionizat , formând o plasmă , ceea ce duce la defocalizarea fasciculului laser. Experimental, această metodă a fost folosită pentru a demonstra modulația de 3,7 MeV a unui fascicul de electroni cu o energie de 40 MeV [2] .
Când un impuls laser suficient de intens se propagă într-un gaz, acesta este ionizat cu formarea unei plasme de neechilibru, în care, datorită efectului ponderomotor al radiației laser, este posibilă excitarea așa-numitei undă de trezi - valul Langmuir care rulează după puls. Această undă are faze în care câmpul electric longitudinal se accelerează pentru electronii care călătoresc împreună cu unda. Deoarece viteza de fază a unei unde longitudinale este egală cu viteza de grup a unui impuls laser în plasmă, care este doar puțin mai mică decât viteza luminii, electronii relativiști pot fi în faza de accelerare pentru o perioadă destul de lungă, dobândind energie semnificativă. Această metodă de accelerare a electronilor a fost propusă pentru prima dată în 1979 [3] .
Pe măsură ce intensitatea pulsului laser crește, amplitudinea undei de plasmă excitată crește și, în consecință, crește viteza de accelerație. La intensități suficient de mari, unda de plasmă devine neliniară și în cele din urmă se prăbușește. În acest caz, poate apărea un mod puternic neliniar de propagare a pulsului laser în plasmă - așa-numitul mod bule (sau bule), în care se formează o cavitate asemănătoare cu bulele în spatele pulsului laser, aproape complet lipsită de electroni. Această cavitate conține, de asemenea, un câmp electric longitudinal capabil să accelereze efectiv electronii.
Experimental, în modul liniar de interacțiune, s-a obținut un fascicul de electroni accelerat la energii de ordinul a 1 GeV de-a lungul unui traseu lung de 3 cm. În acest caz, a fost utilizat suplimentar un ghid de undă sub forma unui capilar subțire pentru a compensa divergența de difracție a pulsului laser [4] . O creștere a puterii impulsului laser la nivelul unui petawatt a făcut posibilă creșterea energiei electronilor până la 2 GeV [5] . O creștere suplimentară a energiei electronilor a fost realizată prin separarea proceselor de injectare a acestora în unda de plasmă accelerată și procesul de accelerare propriu-zis. În 2011, prin această metodă s-au obținut electroni cu o energie de aproximativ 0,5 GeV [6] , iar în 2013 a fost depășit nivelul de 3 GeV, iar lungimea totală a canalului de accelerație a fost de doar 1,4 cm (4 mm - treapta de injecție, 1 cm - treapta de accelerare) [7] . În 2014, primele rezultate experimentale privind accelerarea electronilor într-un capilar de 9 cm folosind laserul BELLA au fost obținute la Laboratorul Național Lawrence Berkeley . Aceste experimente au demonstrat accelerarea la energii care depășesc 4 GeV printr-un impuls laser cu o putere de 0,3 PW, ceea ce a fost un nou record [8] . În 2019, acolo a fost stabilit și un nou record - la o putere de vârf a impulsului laser de 0,85 PW, electroni cu o energie de aproximativ 7,8 GeV au fost obținuți într-un capilar de 20 cm lungime [9] .
În modul neliniar de interacțiune, energia maximă atinsă a fost de 1,45 GeV pe o cale de 1,3 cm lungime, în experiment a fost folosit un impuls laser cu o putere de 110 TW [10] .