Ultrafast laser-based shadowgraphic-interferometric imaging of a high-density plasma generated by intense laser-matter interactions is a key diagnostic technique providing information on the evolution and ultrafast dynamics of such a plasma state. However, shadowgraphic techniques have received modest attention in diagnosing low-density gaseous plasmas similar to those used in laser-plasma wakefield accelerators. Here, by using an ultrafast 30 fs probe laser beam, we derived a correlation between the plasma dynamics and electron beam characteristics in a laser-plasma acceleration experiencing ionization injection in the plasma of a He-N2 gas mixture. The ultrafast transverse expansion dynamics of the laser-plasma channel front tends to be faster at higher nitrogen concentrations, which leads to an increase in the divergence angle and yield (charge) of the 100−200 MeV electron beams generated in the current experiment. Computer simulation shows a distinct difference between the dynamics of the self-injection and that of the ionization-injection processes and supports the experimental observations.
超短パルスレーザーを用いたシャドウグラフィー干渉計測による、強力なレーザーと物質の相互作用で生成される高密度プラズマのイメージングは、そのようなプラズマ状態の時間発展と超高速ダイナミクスに関する情報を提供する重要な診断手法である。しかしながら、シャドウグラフィー技術は、レーザープラズマ航跡場加速器で使用されるものと類似した低密度プラズマの診断にはあまり注目されてこなかった。本研究では、30フェムト秒の超短パルスプローブレーザーを用いることにより、He-N2混合ガス中のイオン化入射を伴うレーザープラズマ加速におけるプラズマダイナミクスと電子ビーム特性の間の相関関係を導出した。レーザープラズマチャネル前端部の超高速横方向膨張は、窒素濃度が高いほど速くなり、その結果、本実験で生成される100〜200 MeVの電子ビームのダイバージェンス（発散角）と電荷量（収量）が増大することが示された。コンピュータシミュレーションにより、自己入射とイオン化入射のプロセスのダイナミクスの間に明確な差異が示され、実験観測結果を裏付けるものである。