The next generation of Petawatt-class lasers presents the opportunity to study positron production and acceleration experimentally, in an all-optical setting. Several configurations were proposed to produce and accelerate positrons in a single laser stage. However, these configurations have yielded limited positron beam quality and low particle count. This paper presents methods for improving the injection and retention of positrons obtained via Bethe–Heitler pair production and accelerated using direct laser acceleration in a plasma channel. The work first introduces a semi-analytical model which predicts laser energy depletion in this highly nonlinear regime. We demonstrate through PIC simulations that accelerated electrons can induce charge inversion within the channel, leading to positron trapping and acceleration. We investigate how laser focusing position, channel wall density, target foil position and target thickness influence positron creation and retention. Our configuration can achieve an 8-fold increase in positron retention compared to previous studies and a higher number of positrons produced overall. This work establishes a robust, single-stage approach for obtaining positron beams, opening new avenues for experiments with Petawatt-class lasers and potential applications in electron–positron collisions and QED cascades.
次世代のペタワット級レーザーは、全光学的な環境において陽電子の生成と加速を実験的に研究する機会を提供する。単一のレーザーステージ内で陽電子を生成・加速するために、いくつかの構成が提案されてきた。しかし、これらの構成では、陽電子ビームの品質が限定的であり、粒子数も少なかった。本論文では、プラズマチャネル内での直接レーザー加速を用いて加速され、ベーテ・ハイトラー対生成によって得られる陽電子の入射と保持を改善する方法を紹介する。この研究はまず、この高非線形領域におけるレーザーエネルギー減衰を予測する半解析モデルを導入する。我々は、PICシミュレーションを通じて、加速電子がチャネル内に電荷反転を誘発し、それによって陽電子の捕捉と加速がもたらされることを実証する。我々は、レーザー集光位置、チャネル壁密度、ターゲットフォイル位置、およびターゲット厚さが陽電子の生成と保持にどのように影響するかを調査する。我々の構成は、従来の研究と比較して陽電子の保持率を8倍に向上させることができ、全体としてより多くの陽電子を生成する。この研究は、陽電子ビームを得るための堅牢かつ単一ステージの手法を確立し、ペタワット級レーザーを用いた実験や、電子・陽電子衝突およびQEDカスケードにおける潜在的な応用への新たな道を開くものである。