The formation of strong, high Mach number (2-3), electrostatic shocks by laser pulses incident on overdense plasma slabs is observed in one- and two-dimensional particle-in-cell simulations, for a wide range of intensities, pulse durations, target thicknesses, and densities. The shocks propagate undisturbed across the plasma, accelerating the ions (protons). For a dimensionless field strength parameter a(0)=16 (Ilambda(2) approximately 3 x 10(20) W cm(-2) microm(2), where I is the intensity and lambda the wavelength), and target thicknesses of a few microns, the shock is responsible for the highest energy protons. A plateau in the ion spectrum provides a direct signature for shock acceleration.

Compact and affordable ion accelerators based on laser-produced plasmas have potential applications in many fields of science and medicine. However, the requirement of producing focusable, narrow-energy-spread, energetic beams has proved to be challenging. Here we demonstrate that laser-driven collisionless shocks can accelerate proton beams to ∼20 MeV with extremely narrow energy spreads of about 1% and low emittances. This is achieved using a linearly polarized train of multiterawatt CO2 laser pulses interacting with a gas-jet target. Computer simulations show that laser-heated electrons launch a collisionless shock that overtakes and reflects the protons in the slowly expanding hydrogen plasma, resulting in a narrow energy spectrum. Simulations predict the production of ∼200 MeV protons needed for radiotherapy by using current laser technology. These results open a way for developing a compact and versatile, high-repetition-rate ion source for medical and other applications. Laser-driven proton accelerators could enable more effective cancer treatment, but to fulfil this function proton beams with a higher energy and narrower energy spread will need to be produced. Discovery of a laser–plasma acceleration mechanism that generates 20 MeV proton beams with a 1% spread is a promising step.