The development of new laser systems, in the 10 PW range, will push Laser Wakefield Accelerators (LWFA) to a new qualitative regime, where different configurations, approaches, and parameters can be explored. Based on the design parameters to be expected for some of these systems (e.g. the future Vulcan 10 PW OPCPA laser system), we have explored the optimal parameters for a single LWFA stage, using the theoretical scalings for these parameters (pulse duration ≈30 fs, energy ≈300 J). The scalings predict the possibility to accelerate electron bunches to energies close to the energy frontier, with self-injected electrons in excess of 10 GeV, and above 50 GeV bunches with externally-injected electrons. We have used these parameters as a baseline for 3D full scale simulations, confirming self-guiding of 10 PW lasers over distances in excess of 10 cm, and 12 GeV self-injected beams, in agreement with theoretical predictions for the maximum energy gain and the injected charge. In externally guided configurations, our simulations confirm the accelerating gradients and the stability of the laser guided propagation for the long distances required to reach the energy frontier. To cite this article: L.O. Silva et al., C. R. Physique 10 (2009).

Le développement de nouvelles installations laser, dont l’échelle de puissance atteint le petawatt, vont permettre aux accélérateurs plasma (LWFA) l’accès à des régimes qualitatifs inédits, où différents paramètres et configurations pourront être testés. A partir des données prévues pour de telles installations (i.e., le prochain laser Vulcan 10 PW OPCPA), nous avons recherché les paramètres optimaux dans le cas d’un accélérateur plasma à un étage, utilisant les lois d’échelles existantes pour ces paramètres (durée de l’impulsion = 30 fs, énergie = 300 J). Les lois d’échelles prédisent l’accélération de paquets d’électrons à des énergie proche de l’énergie frontière, 10 GeV pour des électrons auto-injectés et au delà de 50 GeV pour des électrons injectés. Ces paramètres définissent un cadre de travail pour des simulations numériques 3D à pleine échelle qui confirment l’auto-guidage de lasers 10 PW sur des distances supérieures à 10 cm et l’accélération de faisceaux auto-injectés au delà de 12 GeV. Ces résultats corroborent les prédictions théoriques de la charge injectée et du gain d’énergie maximal. Dans le cas de configurations à guidage externe, nos simulations se révèlent être en accord avec les gradients d’accélération et avec la stabilité de propagation du laser guidé sur de longues distances, nécessaires pour atteindre l’énergie frontière. Pour citer cet article : L.O. Silva et al., C. R. Physique 10 (2009).