An experimental study of laser driven electron acceleration in N2 and N2-He mixed gas-jet targets using laser pulses with durations of ∼60–70 fs is presented. Generation of relativistic electron beams with quasi-thermal spectra was observed at a threshold plasma density of ∼1.6 × 1018 cm−3 in the case of pure N2. The threshold density was found to increase with increasing doping concentrations of He. At an optimum fraction of 50% of He in N2, generation of quasi-monoenergetic electron beams was observed at a comparatively higher threshold density of ∼2 × 1018 cm−3, with an average peak energy of ∼168 MeV, average energy spread of ∼21%, and average total beam charge of ∼220 pC. The electron acceleration could be attributed to direct laser acceleration as well as the hybrid mechanism. The observation of an optimum fraction of He in N2 (in turn threshold plasma density) for comparatively better quality electron beam generation can be understood in terms of the plasma density dependent variation in the dephasing rate of electrons with respect to the transverse oscillating laser field. Results are also supported by 2D particle-in-cell simulations performed using the code EPOCH.
レーザー駆動電子加速の実験的研究を、持続時間が約60〜70 fsのレーザーパルスを用いて、N2およびN2-He混合ガスジェットターゲット中で行った結果について報告する。純N2の場合、準熱的スペクトルを持つ相対論的電子ビームの生成が、約1.6×10^18 cm−3の閾値プラズマ密度で観測された。閾値密度はHeのドーピング濃度の増加とともに増加することがわかった。N2中のHeの最適割合50%において、準単色電子ビームの生成が、比較的高い約2×10^18 cm−3の閾値密度で観測され、平均ピークエネルギーは約168 MeV、平均エネルギー幅は約21%、平均全ビーム電荷は約220 pCであった。電子加速は、直接レーザー加速およびハイブリッド機構に帰属できる可能性がある。比較的良質な電子ビーム生成のためのN2中のHeの最適割合（すなわち閾値プラズマ密度）の観測は、横振動レーザー場に対する電子のデフェージング率のプラズマ密度依存性の観点から理解できる。結果はまた、コードEPOCHを用いて実行された2次元パーティクル・イン・セル・シミュレーションによっても裏付けられている。