A direct acceleration scheme to generate high-energy, high-charge electron beams with an intense few-cycle Laguerre–Gaussian (LG) laser pulse was investigated using three-dimensional particle-in-cell simulations. In this scheme, an intense LG laser pulse was irradiated onto a solid density plasma slab. When the laser pulse is reflected, electrons on the target front surface are injected into the longitudinal electric field of the laser and accelerated further. We found that the carrier-envelope phase (CEP) of the few-cycle laser pulse plays a key role in the electron injection and acceleration process. Using a three-cycle LG laser pulse with and an appropriate CEP, an about 60 pC electron beam could be obtained at a maximum energy of 16 MeV. In comparison, when a laser pulse with mismatched CEP was used, a total of 4 pC electron beam with a maximum energy of 3.5 MeV was obtained. Linear scaling of electron energy to the laser strength was shown up to at which a quasi-monoenergetic electron beam of 850 MeV energy with a charge equal to 600 pC could be obtained. These results demonstrate that high-energy electron beams can be stably generated through direct laser acceleration using a CEP-controlled intense few-cycle LG laser pulse.
高エネルギー・高電荷電子ビームを生成するための直接加速スキームを、強い数サイクル・ラゲールガウシアン（LG）レーザーパルスを用いて、三次元粒子インセルシミュレーションにより調査した。このスキームでは、強いLGレーザーパルスを固体密度プラズマスラブに照射する。レーザーパルスが反射する際、ターゲット前面の電子がレーザーの縦方向電場に注入され、さらに加速される。数サイクルレーザーパルスのキャリアエンベロープ位相（CEP）が、電子の注入および加速過程において重要な役割を果たすことを見出した。適切なCEPを有する数サイクルLGレーザーパルスを用いることで、最大エネルギー16 MeV、電荷量約60 pCの電子ビームが得られた。一方、CEPが不整合なレーザーパルスを用いた場合には、最大エネルギー3.5 MeV、総電荷量4 pCの電子ビームしか得られなかった。さらに、レーザー強度に対する電子エネルギーの線形スケーリングが、最大で まで確認され、このとき準単色の電子ビーム（エネルギー850 MeV、電荷量600 pC）が得られた。これらの結果は、CEP制御された強い数サイクルLGレーザーパルスを用いた直接レーザー加速により、高エネルギー電子ビームを安定に生成できることを実証している。