We use three-dimensional simulations to study injection and electron beam quality in laser wakefield acceleration (LWFA) using the density transition technique. We vary the density transition length scale, covering both the sharp and gradual density transition regimes. We find that the injected charge decreases monotonically as the density transition scale length increases, and as a consequence the energy-spread and emittance improve monotonically. Therefore, there is no optimal transition length that gives the best quality beam, contrary to earlier suggestions. However, the density transition technique does give high brightness electron beams with kA current, energy-spread of around 1% and normalized rms emittance of around 1π mm-mrad. We study the application of these LWFA beams as drivers for a short-wavelength free-electron laser (FEL), using analytic formulae as well as three-dimensional simulations. Because higher current favours a shorter transition length, while smaller energy-spread and emittance favour a longer transition length, there is now an optimal density transition scale length (for our parameters, 50 µm) that gives the best FEL performance: lasing at 270 nm, with a saturated power of around 360 MW, over an undulator length of only 6 m. Further improvements, like lower plasma density and laser guiding, could result in GeV-class beams of sufficient brightness to drive a soft x-ray FEL.
我々は、密度遷移技術を用いたレーザー航跡場加速（LWFA）における電子注入とビーム品質を、三次元シミュレーションを用いて研究する。密度遷移の長さスケールを変化させ、緩やかな密度遷移領域と急峻な密度遷移領域の両方を網羅する。注入電荷は密度遷移のスケール長が増加するにつれて単調に減少し、その結果、エネルギー広がりとエミッタンスは単調に改善されることが分かった。したがって、最も優れたビーム品質を与える最適な遷移長は存在せず、これは従来の示唆とは異なる。しかしながら、密度遷移技術は、約1%のエネルギー広がりと約1π mm-mradの規格化rmsエミッタンスを有するkA級の高輝度電子ビームを生成する。我々は、これらのLWFAビームを短波長自由電子レーザー（FEL）のドライバーとして用いる応用を、解析的公式と三次元シミュレーションの両方を用いて研究する。より高い電流はより短い遷移長を有利にする一方、より小さなエネルギー広がりとエミッタンスはより長い遷移長を有利にするため、（我々のパラメータでは）最適な密度遷移スケール長は50 µmとなり、270 nmでの発振、約360 MWの飽和出力、わずか6 mのアンジュレータ長という最良のFEL性能が得られる。さらに、より低いプラズマ密度とレーザー導波を用いることで、軟X線FELを駆動するのに十分な輝度を有するGeV級のビームが得られる可能性がある。