Sans aucun doute, l'accélération des particules chargées par laser a été l'un des domaines les plus fertiles de ces dix dernières années. En soi, l'accélération d'ions lors de l'interaction laser-matière était un phénomène déjà bien connu même si limité à l'expansion thermique du plasma de corona crée par des impulsions nanoseconde et sub-nanoseconde à faible intensité.
A partir de la fin des années '80, la technique CPA a mis à disposition de la communauté scientifique des lasers de plus en plus puissants, capable de dépasser les 1018 W/cm2. Cela a ouvert la voie à l'exploration du régime d'interaction relativiste, ainsi appelé car la vitesse des électrons soumis à l'action du champ électromagnétique du laser approche la vitesse de la lumière. Dans ce régime, le déplacement des électrons provoque la naissance d'énormes champs électriques capables à leur tour d'accélérer des particules chargées à des très hautes énergies.
Le scenario désormais consolidé pour l'accélération de protons, nommé Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) comprends trois étapes. D'abord le piédestal de l'impulsion laser crée un petit plasma sur la surface d'une feuille mince (~µm) qui fait fonction de cible.
Ensuite, la partie principale de l'impulsion laser accélère les électrons de cette mince couche de plasma vers la cible. Enfin, la sortie des électrons sur le coté non irradié de la cible génère un intense champ électrostatique qui ionise d'abord et accélère ensuite à des très hautes énergies les ions et les protons qui se trouvent sur la surface de la cible.
Les caractéristiques de haute énergie, faible divergence, courte durée et faible emittance des paquets des protons ainsi produits les rends particulièrement intéressants pour un large éventail d'applications parmi les quelles on peut citer l'exploration à haute résolution des champs électriques dans les plasmas, les applications pour les fast ignitor, l'induction des phénomènes nucléaires, la production d'isotopes pour des applications médicales et la proton thérapie.