The discovery of laser wakefield acceleration in gaseous plasma was a major milestone that could lead to a significant reduction of size and cost of large electron accelerators. For higher-energy laser-driven electron acceleration guiding plasma channels were proposed, which are matched to the laser pulse parameters. For guiding a Gaussian beam, a parabolic density profile is needed, which is difficult to realize experimentally. The realistic channel profiles can be described by higher order polynomial functions which are not optimal for guiding due to the development of undesired distortions in the laser intensity envelope. However, here we show that for non-parabolic plasma channels well-defined matching conditions exist, which we call mode matching. This leads to the guiding of the fundamental mode only in the acceleration regime, where the plasma electron density is modulated by the high-intensity laser pulse. In this way we eliminate two deteriorating factors of laser wakefield acceleration, namely the mode dispersion and energy leakage. We apply this new matching condition for single-mode guiding in quasi-3D simulations to show that 10 GeV energies can be reached in a distance of less than 15 cm.
気体プラズマにおけるレーザー航跡場加速の発見は、大型電子加速器のサイズとコストの大幅な削減につながる可能性のある主要なマイルストーンであった。より高エネルギーのレーザー駆動電子加速のためには、レーザーパルスパラメータに整合した導波プラズマチャネルが提案された。ガウシアンビームを導波させるには、放物線状の密度プロファイルが必要であり、これは実験的に実現することは困難である。現実的なチャネルプロファイルは高次の多項式関数によって記述できるが、レーザー強度包絡線における望ましくない歪みの発生のため、導波には最適ではない。しかしながら、ここでは非放物線状プラズマチャネルに対して、モード整合と呼ぶ明確に定義された整合条件が存在することを示す。これは、プラズマ電子密度が高強度レーザーパルスによって変調される加速領域において、基本モードのみの導波をもたらす。このようにして、レーザー航跡場加速の2つの劣化要因、すなわちモード分散とエネルギー漏洩を排除する。我々はこの新しい整合条件を準3次元シミュレーションにおける単一モード導波に適用し、10 GeVのエネルギーが15 cm未満の距離で到達可能であることを示す。