Using plasma mirror injection we demonstrate, both analytically and numerically, that a circularly polarized helical laser pulse can accelerate highly collimated dense bunches of electrons to several hundred MeV using currently available laser systems. The circular-polarized helical (Laguerre–Gaussian) beam has a unique field structure where the transverse fields have helix-like wave-fronts which tend to zero on-axis where, at focus, there are large on-axis longitudinal magnetic and electric fields. The acceleration of electrons by this type of laser pulse is analyzed as a function of radial mode number and it is shown that the radial mode number has a profound effect on electron acceleration close to the laser axis. Using three-dimensional particle-in-cell simulations a circular-polarized helical laser beam with power of 0.6 PW is shown to produce several dense attosecond bunches. The bunch nearest the peak of the laser envelope has an energy of 0.47 GeV with spread as narrow as 10%, a charge of 26 pC with duration of as, and a very low divergence of 20 mrad. The confinement by longitudinal magnetic fields in the near-axis region allows the longitudinal electric fields to accelerate the electrons over a long period after the initial reflection. Both the longitudinal E and B fields are shown to be essential for electron acceleration in this scheme. This opens up new paths toward attosecond electron beams, or attosecond radiation, at many laser facilities around the world.
プラズマミラー入射を用いて、現在利用可能なレーザーシステムを用いて、円偏光ヘリカルレーザーパルスが高密度の電子バンチを数百MeVまで加速できることを、解析的および数値的に実証する。円偏光ヘリカル（ラゲール・ガウス）ビームは、横方向の電場が螺旋状の波面を持ち、集束点では軸上でゼロになる一方、軸方向に大きな電場と磁場が生じるという特異な場の構造を持つ。このタイプのレーザーパルスによる電子加速を動径モード数の関数として解析し、動径モード数がレーザー軸近傍での電子加速に大きな影響を与えることを示す。三次元粒子インセルシミュレーションを用いて、出力0.6 PWの円偏光ヘリカルレーザービームが、高密度のアト秒バンチを複数生成することを示す。レーザー包絡線のピークに最も近いバンチは、エネルギー0.47 GeV、エネルギー広がり10%以下、電荷26 pC、パルス幅アト秒、発散角20 mrad以下という特性を持つ。軸近傍領域における磁場の閉じ込め効果により、軸方向電場が初期反射後も長期間にわたって電子を加速し続けることを可能にしている。この加速スキームには縦方向の電場と磁場の両方が本質的に重要であることが示される。本成果は、世界中の多くのレーザー施設におけるアト秒電子ビーム、あるいはアト秒放射の生成への新たな道を開くものである。