Одним из применений сверхмощных лазерных систем является генерация пучков электронов и их ускорение до ультрарелятивистских энергий. В этой области в ИПФ РАН проведены как экспериментальные исследования на базе субпетаваттного комплекса PEARL, так и теоретические исследования с использованием современных вычислительных средств.
В эксперименте лазерные импульсы энергией до 10 Дж и длительностью 50—70 фс фокусировались на газовой струе, состоящей из гелия или азота. Для измерения энергии генерируемых в струе электронов использовался оригинальный спектрометр, позволявший проводить измерения с высокой точностью в широком диапазоне энергий (А. А. Шайкин, А. А. Соловьев, М. В. Стародубцев).

Схема экспериментальной установки, использованной для изучения процесса ускорения ультрарелятивистских электронных пучков с помощью сверхмощного лазерного излучения комплекса PEARL

В экспериментах были получены пучки электронов с энергиями до 300 МэВ, а ускоряющие электрические поля в плазме достигли значений 0,5 ГэВ/см, что более чем на 3 порядка превышает рекордные значения в традиционных линейных ускорителях. Результат укладывается в существующую феноменологическую теорию ускорения электронов в кавитационной структуре кильватерной волны и подтверждается проведенным в ИПФ РАН численным моделированием на суперкомпьютерах с использованием метода частиц в ячейках.

Изображения электронных пучков, полученные на сцинтилляторах после прохождения пучков через магнитное поле в зависимости от концентрации плазмы. Горизонтальное отклонение электронов влево определяется их энергией

Результат численного моделирования. Представлены зависимости энергии электронов от пройденного ими расстояния: диаметр лазерного пучка больше диаметра кавитационной структуры (слева) и равен диаметру структуры (справа). Во втором случае происходит формирование значительно более плотного пучка электронов, ускоряемых более эффективно