Frequency up-shifting of laser light in a beam-driven plasma wakefield has the potential to provide high-intensity sources of short wavelength radiation. Simulations have demonstrated that a laser pulse can undergo large frequency shifts, limited only by the drive beam energy, when the plasma density is tailored to match the accelerating phase of the wake to the group velocity of the pulse. Here, we study the dynamical evolution of photons in the 1D1P phase-space vicinity of the plasma wake-phase matching condition. Numerical calculations using a photon kinetic model are validated by direct comparison with 1D and quasi-3D particle-in-cell simulations. These calculations form the basis of a linear theory of the photon dynamics which reveals several important results, including scalings for the properties of the witness pulse and a self-similar solution for the photon phase-space dynamics. One prediction of the analytic theory is that the pulse can be compressed indefinitely, though the amount of compression would ultimately be limited by practical constraints. These results suggest that photon acceleration can provide a novel source of sub-femtosecond, short wavelength radiation.
ビーム駆動プラズマ航跡場におけるレーザー光の周波数アップシフトは、短波長放射の高強度源を提供する可能性を秘めている。シミュレーションにより、プラズマ密度が航跡場の加速位相をパルスの群速度に一致させるように調整される場合、レーザーパルスは駆動ビームエネルギーによってのみ制限される大きな周波数シフトを受け得ることが実証されている。ここでは、プラズマ航跡場の位相整合条件の近傍における1D1P位相空間内の光子の力学進化を研究する。光子動力学モデルを用いた数値計算は、1次元および準3次元のパーティクルインセルシミュレーションとの直接比較によって検証される。これらの計算は、光子動力学の線形理論の基礎を成し、ウィットネスパルスの特性に関するスケーリング則や、光子位相空間力学に対する自己相似解など、いくつかの重要な結果を明らかにする。解析理論の予測の一つは、パルスが無限に圧縮され得るということであるが、圧縮量は最終的には実用的な制約によって制限されるであろう。これらの結果は、光子加速がサブフェムト秒の短波長放射の新規な源を提供し得ることを示唆している。