Controlling beam loading is essential to produce large-charge high-quality electron beams in laser wakefield acceleration. The bunch shape in the longitudinal direction is a key factor to optimize beam loading. However, how to generate an electron beam with an appropriate shape is always a difficult problem to solve. In the present paper, indirect manipulation on the bunch shape is realized by tuning the laser profile. This is because that the bunch shape relies on the initial transverse position of electrons, which can be controlled by the laser profile in the optical injection scheme. Based on this indirect manipulation method, we find that by reducing the focal spot size of the injection pulse and thus effectively inhibiting off-axis electron injection, the electron beam shape gradually changes from down-ramp to flat-top, which is more favorable for optimizing beam loading. Consequently, we use a cigar-like injection pulse to generate electron beams with large charge and low energy spread. In this manner, an electron beam with 0.1% energy spread, total charge and emittance can be produced.
レーザー航跡場加速において、大電荷・高品質の電子ビームを生成するには、ビーム負荷の制御が不可欠である。長手方向のバンチ形状は、ビーム負荷を最適化するための重要な要素である。しかしながら、適切な形状を持つ電子ビームを生成することは、常に解決が困難な問題である。本論文では、レーザープロファイルの調整によるバンチ形状の間接的操作を実現する。これは、バンチ形状が電子の初期横方向位置に依存し、その位置が光入射スキームにおけるレーザープロファイルによって制御可能であるためである。この間接的操作法に基づき、入射パルスの焦点スポットサイズを縮小し、軸外電子の入射を効果的に抑制することで、電子ビーム形状が下降勾配型から平坦型へと徐々に変化し、ビーム負荷の最適化により好適となることを見出した。その結果、シガー型の入射パルスを用いることで、大電荷・低エネルギー広がりを持つ電子ビームを生成できる。この方法により、エネルギー広がり0.1%、総電荷、エミッタンスの電子ビームを生成することが可能となる。