When a relativistic, femtosecond laser pulse enters a waveguide, the pulse energy is coupled into waveguide optical modes. The longitudinal laser field effectively accelerates electrons along the axis of the channel, while the asymmetric transverse electromagnetic fields tend to expel fast electrons radially outwards. At the exit of the waveguide, the ∼nC, ∼10 MeV electron bunch converts its energy to a ∼10 mJ terahertz (THz) laser pulse through coherent diffraction radiation. In this paper, we present 3D particle-in-cell simulations and theoretical analyses of the aforementioned interaction process. We investigate the process of longitudinal acceleration and radial expulsion of fast electrons, as well as the dependence of the properties of the resulting THz radiation on laser and plasma parameters and the effects of the preplasma. The simulation results indicate that the conversion efficiency of energy can be over 5% if the waveguide length is optimal and a high contrast pump laser is used. These results guide the design of more intense and powerful THz sources.
相対論的フェムト秒レーザーパルスが導波路に入射すると、パルスエネルギーは導波路の光学モードに結合する。長手方向のレーザー場は導波路の軸に沿って電子を効果的に加速する一方、非対称な横方向の電磁場は高速電子を半径方向外側に押し出そうとする。導波路の出口では、約nC、約10 MeVの電子バンチがコヒーレント回折放射を通じてそのエネルギーを約10 mJのテラヘルツ（THz）レーザーパルスに変換する。本論文では、上述の相互作用過程について3次元粒子インセルシミュレーションと理論解析を提示する。我々は、長手方向の加速と高速電子の半径方向への排出過程、ならびにレーザーおよびプラズマパラメータとプレプラズマの効果に対するTHz放射特性の依存性を調査する。シミュレーション結果は、導波路長が最適であり高コントラストのポンプレーザーが使用される場合、エネルギー変換効率が5%を超え得ることを示している。これらの結果は、より強力で高出力なTHz光源の設計を導くものである。