Expanding the scope of relativistic plasma research to wavelengths longer than the λ/≈ 0.8–1.1 μm range covered by conventional mode-locked solid-state lasers would offer attractive opportunities due to the quadratic scaling of the ponderomotive electron energy and critical plasma density with λ. Answering this quest, a next-generation mid-IR laser project is being advanced at the BNL ATF as a part of the user facility upgrade. We discuss the technical approach to this conceptually new 100 TW, 100 fs, λ = 9–11 μm CO2 laser BESTIA (Brookhaven Experimental Supra-Terawatt Infrared at ATF) that encompasses several innovations applied for the first time to molecular gas lasers.BESTIA will enable new regimes of laser plasma accelerators. One example is shock-wave ion acceleration (SWA) from gas jets. We review ongoing efforts to achieve stable, monoenergetic proton acceleration by dynamically shaping the plasma density profile from a hydrogen gas target with laser-produced blast waves. At its full power, 100 TW BESTIA promises to achieve proton beams at an energy exceeding 200 MeV.In addition to ion acceleration in over-critical plasma, the ultra-intense mid-IR BESTIA will open up new opportunities in driving wakefields in tenuous plasmas, expanding the landscape of laser wakefield accelerator (LWFA) studies into the unexplored long-wavelength spectral domain. Simple wavelength scaling suggests that a 100 TW CO2 laser beam will be capable of efficiently generating plasma 'bubbles' a thousand times greater in volume compared with a near-IR solid state laser of an equivalent power. Combined with a femtosecond electron linac available at the ATF, this wavelength scaling will facilitate the study of external seeding and staging of LWFAs.
相対論的プラズマ研究の範囲を、従来のモード同期固体レーザーがカバーするλ≈0.8–1.1 μm領域よりも長い波長へ拡張することは、ポンデロモーティブ電子エネルギーと臨界プラズマ密度の2乗スケーリングにより、魅力的な機会をもたらすだろう。この要請に応えるべく、BNL ATFではユーザー施設アップグレードの一環として、次世代中赤外レーザープロジェクトが推進されている。我々は、分子ガスレーザーに初めて適用されるいくつかの革新技術を包含する、概念的に新しい100 TW、100 fs、λ=9–11 μm CO2レーザーBESTIA（Brookhaven Experimental Supra-Terawatt Infrared at ATF）への技術的アプローチについて議論する。BESTIAはレーザープラズマ加速器の新たな領域を可能にするだろう。その一例が、ガスジェットからの衝撃波イオン加速（SWA）である。我々は、水素ガスターダットのプラズマ密度プロファイルをレーザー生成衝撃波によって動的に整形し、安定した単色陽子加速を実現するための進行中の取り組みを概説する。フルパワー時、100 TWのBESTIAは200 MeVを超えるエネルギーを持つ陽子ビームの生成を実現すると期待される。さらに、過臨界プラズマ中のイオン加速に加えて、超高強度中赤外BESTIAは、低密度プラズマ中の航跡場を駆動する新たな機会を開拓し、レーザー航跡場加速（LWFA）研究の領域を未踏の長波長スペクトル領域へと拡張する。単純な波長スケーリング則は、同等出力の近赤外固体レーザーと比較して、100 TWのCO2レーザービームが千倍の体積を持つプラズマ「バブル」を効率的に生成し得ることを示唆している。ATFで利用可能なフェムト秒電子リニアックと組み合わせることで、この波長スケーリングはLWFAの外部シーディングとステージングの研究を促進するだろう。