An improved ionization injection scheme for laser wakefield acceleration using a tightly focused laser pulse, with intensity near the ionization threshold to trigger the injection in a mismatched plasma channel, has been proposed and examined via 3D particle-in-cell (PIC) simulations. In this scheme, the key to achieving a very low energy spread is shortening the injection distance through the fast diffraction of the tightly focused laser. Furthermore, the oscillation of the laser envelope in the mismatched plasma channel can induce multiple low-energy-spread injections with an even distribution in both space and energy. The envelope oscillation can also significantly enhance the energy gain of the injected beams compared to the standard non-evolving wake scenario due to the rephasing between the electron beam and the laser wake. A theoretical model has been derived to precisely predict the injection distance, the ionization degree of injection atoms/ions, the electron yield as well as the ionized charge for given laser–plasma parameters, and such expressions can be directly utilized for optimizing the quality of the injected beam. Through 3D PIC simulations, we show that an injection distance as short as tens of microns can be achieved, which leads to ultrashort fs, few pC electron bunches with a narrow absolute energy spread around 2 MeV (rms). Simulations also show that the initial absolute energy spread remains nearly constant during the subsequent acceleration due to the very short bunch length, and this indicates that further acceleration of the electron bunches up to the GeV level may lead to an electron beam with an energy spread well below 0.5%. Such low-energy-spread electron beams may have potential applications for future coherent light sources driven by laser–plasma accelerators.
レーザー航跡場加速のための改良されたイオン化入射方式として、ミスマッチプラズマチャネル内で入射を誘発するために、イオン化閾値に近い強度を持つ tightly focused レーザーパルスを用いる方式が提案され、3次元粒子インセル（PIC）シミュレーションにより検証された。この方式では、低エネルギー広がりを達成する鍵は、tightly focused レーザーの急速な回折による入射距離の短縮である。さらに、ミスマッチプラズマチャネル内でのレーザーエンベロープの振動は、空間的にもエネルギー的にも均等に分布した複数の低エネルギー広がり入射を誘発できる。エンベロープ振動はまた、標準的な非発展航跡場シナリオと比較して、入射電子ビームのエネルギー利得を大幅に向上させることができる。これは、電子ビームとレーザー航跡場の間の位相再同期によるものである。所与のレーザー・プラズマパラメータに対する入射距離、入射原子・イオンのイオン化度、電子収量、イオン化電荷を正確に予測する理論モデルが導出された。これらの式は、入射ビームの品質を最適化するために直接利用できる。3次元PICシミュレーションにより、入射距離が数十ミクロン程度まで短縮可能であることが示され、これにより、約2 MeV（rms）の狭い絶対エネルギー広がりを持つフェムト秒級・数pCの電子バンチが達成される。シミュレーションはまた、バンチ長が非常に短いため、その後の加速中に初期の絶対エネルギー広がりがほぼ一定に保たれることを示している。これは、電子バンチをGeVレベルまでさらに加速すれば、エネルギー広がりが0.5%を十分に下回る電子ビームが得られる可能性を示唆している。このような低エネルギー広がりの電子ビームは、レーザー・プラズマ加速器駆動の将来のコヒーレント光源への応用が期待される。