To maximize the charge of a high-energy electron beam accelerated by an ultra-intense laser pulse propagating in a subcritical plasma, the pulse length should be longer than both the plasma wavelength and the laser pulse width, which is quite different from the standard bubble regime. In addition, the laser-plasma parameters should be chosen to produce the self-trapping regime of relativistic channeling, where the diffraction divergence is balanced by the relativistic nonlinearity such that the laser beam radius is unchanged during pulse propagation in a plasma over many Rayleigh lengths. The condition for such a self-trapping regime is the same as what was empirically found in several previous simulation studies in the form of the pulse width matching condition. Here, we prove these findings for a subcritical plasma, where the total charge of high-energy electrons reaches the multi-nC level, by optimization in a 3D PIC simulation study and compare the results with an analytic theory of relativistic self-focusing. A very efficient explicitly demonstrated generation of high-charge electron beams opens a way to a high-yield production of gammas, positrons, and photonuclear particles.
高エネルギー電子ビームの電荷を最大化するために、亜臨界プラズマ中を伝搬する超高強度レーザーパルスによって加速される場合、パルス長はプラズマ波長とレーザーパルス幅の両方よりも長くなければならず、これは標準的なバブル領域とはかなり異なる。さらに、レーザープラズマパラメータは、回折発散が相対論的非線形性によってバランスされ、レーザービーム半径が多数のレイリー長にわたるプラズマ中でのパルス伝搬中に不変となるような、相対論的チャネリングの自己捕捉領域を生じるように選択されるべきである。このような自己捕捉領域の条件は、パルス幅整合条件の形で、これまでのいくつかのシミュレーション研究において経験的に見出されたものと同じである。ここでは、3次元PICシミュレーション研究における最適化により、高エネルギー電子の総電荷がマルチnCレベルに達する亜臨界プラズマに対してこれらの知見を証明し、その結果を相対論的自己集束の解析理論と比較する。高電荷電子ビームの生成が極めて効率的に実証されたことは、ガンマ線、陽電子、および光核粒子の高収率生成への道を開くものである。