The modulational instability that occurs during the interaction of a long laser pulse and its own wakefield in an underdense plasma has been studied experimentally and theoretically. Recent experiments using laser pulses that are several times longer than the wakefield period have yielded transmission spectra that exhibit a series of secondary peaks flanking the main laser peak. These peaks are too closely spaced to be the result of Raman instabilities; their origin was found to be photon acceleration of the laser's photons in the wakefield instead. In the experiments described in this paper, a laser pulse of 50–200 fs containing 300–600 mJ was focused on the edge of a helium gas jet on a 25 µm focal spot. The observed transmission spectra show evidence of both ionization blueshift and modulation by the pulse's wakefield. The transmission spectra have also been modelled using a dedicated photon-kinetic numerical code. The modelling has revealed a direct correlation between the spectral modulations and the amplitude of the excited wakefield. By comparing the measured and simulating spectra, the origin of various spectral characteristics has been explained in terms of photon acceleration. The feasibility of using this effect as a wakefield diagnostic will be discussed.
プラズマ中の長いレーザーパルスとその自己生成する航跡場との相互作用中に発生する変調不安定性を、実験的および理論的に研究した。航跡場周期の数倍の長さを持つレーザーパルスを用いた最近の実験では、メインレーザーピークに隣接する一連の二次ピークを示す透過スペクトルが得られている。これらのピークは、ラマン不安定性の結果として生じるには互いに近すぎる間隔であり、その起源は、航跡場中でのレーザー光子の光子加速にあることが見出された。本論文で述べる実験では、300〜600 mJ のエネルギーを含む50〜200 fs のレーザーパルスを、25 µm の焦点スポット上でヘリウムガスジェットの端に集光した。観測された透過スペクトルは、電離ブルーシフトとパルスの航跡場による変調の両方の証拠を示している。透過スペクトルはまた、専用の光子動力学数値コードを用いてモデル化されている。このモデル化により、スペクトル変調と励起された航跡場の振幅との間に直接的な相関があることが明らかになった。測定スペクトルとシミュレーションスペクトルを比較することにより、様々なスペクトル特性の起源が光子加速の観点から説明された。この効果を航跡場診断法として用いることの実現可能性について議論する。