Laser-driven electron acceleration in underdense plasma is a promising route towards the realization of reliable sources of relativistic electrons in the 0.1–1 GeV energy range. Generation of such electron bunches at high repetition rates is hindered by the limited energy per pulse, which inevitably results in very short pulse duration and tight focusing. Compressing the laser energy in time and space allows scientists to use higher plasma density to drive wakefieds, which in turn results in enhanced diffraction and dispersion of the broadband laser pulse. These features make difficult to control the acceleration in the plasma wave and to improve the beam quality. Here we propose a mm-long three-stage acceleration scheme, which allows for tunable injection and optimal acceleration of high-quality electron bunches. The full interaction length is modeled by 3D particle-in-cell simulations.
レーザー駆動による低密度プラズマ中の電子加速は、0.1〜1 GeVのエネルギー範囲における信頼性の高い相対論的電子源の実現に向けた有望な手法である。このような電子バンチを高繰り返し率で生成することは、パルスあたりのエネルギーが限られているために困難であり、その結果、パルス持続時間が極めて短く、集束が強く制約される。レーザーエネルギーを時間的・空間的に圧縮することで、より高いプラズマ密度を利用してプラズマ波を駆動することが可能となり、その結果、広帯域レーザーパルスの回折と分散が増大する。これらの特性により、プラズマ波中の加速過程の制御と高品質電子ビームの改善が困難となる。本論文では、ミリメートル長の3段階加速スキームを提案する。このスキームにより、高品質の電子バンチの調整可能な入射と最適な加速が可能となる。全相互作用領域は、3次元粒子インセルシミュレーションによってモデル化される。