Ускорение частиц с использованием интенсивных лазерных полей является одним из наиболее перспективных направлений современной физики ускорителей. В отличие от традиционных электромагнитных резонансных структур, ограниченных величиной пробивной прочности материалов, лазерные методы позволяют достигать значительно более высоких градиентов ускоряющего поля — вплоть до десятков и сотен гигаэлектронвольт на метр (ГэВ/м). Это открывает возможности для миниатюризации ускорителей и их применения в медицине, промышленности и фундаментальных исследованиях.
Согласно уравнениям Максвелла, в свободном пространстве плоская электромагнитная волна не может передавать среднюю энергию заряженной частице, поскольку вектор электрического поля колеблется симметрично, а магнитная компонента отклоняет частицу поперечно. Поэтому прямое ускорение в вакууме ограничено, и для практической реализации необходимо использовать специальные конфигурации, нарушающие симметрию распространения волны.
Ключевые подходы включают:
Одним из наиболее изученных методов является ускорение в плазменных волнах, возбуждаемых мощным лазерным импульсом. При прохождении через плазму короткого сверхмощного лазерного импульса происходит вытеснение электронов из области максимальной интенсивности, за которым формируется область положительно заряженной плазмы. Эта область создает сильное продольное электрическое поле, способное ускорять электроны.
Основные характеристики метода:
В экспериментальных установках удалось получить пучки электронов с энергией порядка нескольких ГэВ на длине ускоряющей ячейки всего несколько сантиметров.
Другим направлением является использование диэлектрических фотонных структур, специально спроектированных для взаимодействия с лазерным излучением. В таких системах лазерная волна возбуждает поля, пространственно синхронизированные с движением электронов.
Ключевые моменты:
Данный метод рассматривается как основа для настольных ускорителей для медицины и материаловедения.
При взаимодействии сверхмощных лазеров с тонкими мишенями возможно эффективное ускорение не только электронов, но и ионов. Механизмы здесь отличаются от электронного лазерно-плазменного ускорения:
Эти механизмы позволяют получать пучки протонов и тяжелых ионов с энергиями до сотен МэВ, что открывает перспективы для адронной терапии и компактных источников ядерных реакций.
Несмотря на огромные перспективы, лазерное ускорение сталкивается с рядом трудностей:
Современные исследования направлены на решение задач по стабилизации инжекции электронов, увеличению длины взаимодействия за счет использования капиллярных плазменных каналов, а также по развитию лазерных технологий высокой частоты повторения.