Laseracceleration af elektroner er processen med at accelerere en elektronstråle ved hjælp af superstærk laserstråling . Både direkte acceleration ved elektromagnetisk stråling i et vakuum eller i specielle dielektriske strukturer [1] og indirekte acceleration i en Langmuir-bølge exciteret af en laserimpuls, der udbreder sig i et lavdensitetsplasma , er mulige . Ved hjælp af denne metode er elektronstråler med energier over 8 GeV blevet eksperimentelt opnået .
Direkte acceleration af et laserfelt er ineffektiv, da i et strengt endimensionelt problem har en elektron, der kommer ind i feltet af en laserimpuls, efter at have forladt det, den samme energi som i begyndelsen, det vil sige, det er nødvendigt at udføre acceleration i stærkt fokuserede felter, hvor den langsgående komponent af det elektriske felt er signifikant , men i sådanne felter er fasehastigheden af bølgen langs udbredelsesaksen større end lysets hastighed , så elektronerne halter hurtigt efter accelerationsfeltet . For at kompensere for sidstnævnte effekt blev det foreslået at udføre acceleration i en gas , hvor den relative permittivitet er højere end enheden, og fasehastigheden falder. Men i dette tilfælde er en væsentlig begrænsning, at allerede ved strålingsintensiteter i størrelsesordenen 10 14 W/cm² ioniseres gassen , hvilket danner et plasma , hvilket fører til defokusering af laserstrålen. Eksperimentelt blev denne metode brugt til at demonstrere 3,7 MeV -modulationen af en elektronstråle med en energi på 40 MeV [2] .
Når en tilstrækkelig intens laserimpuls forplanter sig i en gas, ioniseres den med dannelse af et ikke-ligevægtsplasma, hvor det på grund af laserstrålingens ponderomotive effekt er muligt at excitere den såkaldte vågnebølge - Langmuir-bølgen, der løber . efter pulsen. Denne bølge har faser, hvor det langsgående elektriske felt accelererer for elektronerne, der rejser sammen med bølgen. Da fasehastigheden af en langsgående bølge er lig med gruppehastigheden af en laserimpuls i plasma, som kun er lidt mindre end lysets hastighed, kan relativistiske elektroner være i accelerationsfasen i ret lang tid og erhverve betydelig energi. Denne metode til elektronacceleration blev først foreslået i 1979 [3] .
Når intensiteten af laserimpulsen stiger, øges amplituden af den exciterede plasmabølge, og som en konsekvens heraf øges accelerationshastigheden. Ved tilstrækkelig høje intensiteter bliver plasmabølgen ikke-lineær og kollapser til sidst. I dette tilfælde kan der opstå en stærkt ikke-lineær modus for laserpulsudbredelse i plasma - den såkaldte boble- (eller boble-) modus, hvor der dannes et boblelignende hulrum bag laserpulsen, næsten helt fri for elektroner. Dette hulrum indeholder også et langsgående elektrisk felt, der er i stand til effektivt at accelerere elektroner.
Eksperimentelt blev der i den lineære interaktionsmåde opnået en elektronstråle accelereret til energier af størrelsesordenen 1 GeV langs en bane på 3 cm. I dette tilfælde blev der yderligere brugt en bølgeleder i form af en tynd kapillar til at kompensere for diffraktionsdivergens af laserimpulsen [4] . En stigning i laserpulsens effekt til niveauet af en petawatt gjorde det muligt at øge elektronernes energi op til 2 GeV [5] . En yderligere stigning i elektronenergien blev opnået ved at adskille processerne for deres injektion i den accelererende plasmabølge og den faktiske accelerationsprocessen. I 2011 blev elektroner med en energi på omkring 0,5 GeV opnået ved denne metode [6] , og i 2013 blev niveauet på 3 GeV overskredet, og acceleratorkanalens samlede længde var kun 1,4 cm (4 mm - injektionstrin, 1 cm - accelerationstrin) [7] . I 2014 blev de første eksperimentelle resultater om accelerationen af elektroner i en 9 cm kapillær ved hjælp af BELLA -laseren opnået ved Lawrence Berkeley National Laboratory . Disse eksperimenter demonstrerede acceleration til energier, der oversteg 4 GeV af en laserpuls med en effekt på 0,3 PW, hvilket var en ny rekord [8] . I 2019 blev der også sat en ny rekord der - ved en maksimal laserpulseffekt på 0,85 PW blev der opnået elektroner med en energi på omkring 7,8 GeV i et kapillært 20 cm langt [9] .
I den ikke-lineære interaktionsmåde var den maksimale opnåede energi 1,45 GeV på en bane på 1,3 cm. En laserpuls med en effekt på 110 TW blev brugt i eksperimentet [10] .