The time evolution of plasma wakes in density up- and down-ramps is examined through theory and particle-in-cell simulations. Motivated by observation of the reversal of a linear plasma wake in a plasma density upramp in a recent experiment (Zhang et al 2017 Phys. Rev. Lett.119 064801) we have examined the behaviour of wakes in plasma ramps that always accompany any plasma source used for plasma-based acceleration. In the up-ramp case it is found that, after the passage of the drive pulse, the wavnumber/wavelength of the wake starts to decrease/increase with time until it eventually tends to zero/infinity, then the wake reverses its propagation direction and the wavenunber/wavelength of the wake begins to increase/shrink. The evolutions of the wavenumber and the phase velocity of the wake as functions of time are shown to be significantly different in the up-ramp and the down-ramp cases. In the latter case the wavenumber of the wake at a particular position in the ramp increases until the wake is eventually damped. It is also shown that the waveform of the wake at a particular time after being excited can be precisely controlled by tuning the initial plasma density profile, which may enable a new type of plasma-based ultrafast optics.
プラズマ航跡の時間発展が、密度上昇ランプおよび密度下降ランプにおいて、理論と粒子インセルシミュレーションによって調べられた。最近の実験（Zhangら 2017 Phys. Rev. Lett. 119, 064801）におけるプラズマ密度上昇ランプ内での線形プラズマ航跡の反転の観測に動機づけられ、我々は、プラズマベース加速に用いられるあらゆるプラズマ源に必ず伴うプラズマランプ内での航跡の挙動を調べた。密度上昇ランプの場合、駆動パルス通過後、航跡の波数/波長は時間とともに減少/増加し始め、最終的にゼロ/無限大に近づき、その後航跡は伝播方向を反転し、航跡の波数/波長は増加/収縮し始めることが見出された。航跡の波数と位相速度の時間関数としての時間発展は、密度上昇ランプと密度下降ランプの場合で有意に異なることが示された。密度下降ランプの場合、ランプ内の特定の位置における航跡の波数は、航跡が最終的に減衰するまで増加する。また、励起後の特定の時刻における航跡の波形は、初期プラズマ密度プロファイルを調整することによって精密に制御可能であり、これにより新しいタイプのプラズマベース超高速光学が可能になるかもしれないことも示された。