Plasma accelerators can generate high-energy, high-brightness electron beams over centimeter-scale distances, offering novel pathways to compact x-ray free-electron lasers. Generating beams pre-bunched at the desired radiation wavelength would significantly enhance longitudinal coherence and reduce saturation length. Plasma density-modulated downramp injection offers an in-situ way to generate such beams with nanometer-scale bunching. Here we report the first experimental evidence of this mechanism in a laser-driven wakefield accelerator, showing that modulated density downramps generate modulated electron energy spectra absent in unmodulated cases. Particle-in-cell simulations reproduce these observations and reveal bunching factors of 0.05 at 0.4 μm, with a compression factor of approximately 7. Building on this demonstration, we propose a beam-driven implementation for FACET-II to generate multi-GeV beams pre-bunched at hundreds of nanometers wavelength, with sub-micrometer emittance, kiloampere peak current, and sub-percent slice energy spread. Two-stage magnetic compression enables tunable bunching from optical to extreme ultraviolet wavelengths while achieving peak currents exceeding 100 kA. Coherent transition radiation calculations confirm diagnostic feasibility. This approach offers a promising path towards compact, high-energy pre-bunched electron sources for advanced photon science applications.
プラズマ加速器は、センチメートル規模の距離で高エネルギー・高輝度の電子ビームを生成でき、コンパクトなX線自由電子レーザーへの新たな経路を提供する。所望の放射波長で事前にバンチングされたビームを生成できれば、縦方向コヒーレンスを大幅に向上させ、飽和長を短縮できるであろう。プラズマ密度変調ダウンランプ入射は、ナノメートル規模のバンチングを持つそのようなビームをその場で生成する方法を提供する。ここでは、レーザー駆動ウェークフィールド加速器におけるこのメカニズムの最初の実験的証拠を報告し、変調密度ダウンランプが、非変調の場合には見られない変調された電子エネルギースペクトルを生成することを示す。パーティクルインセルシミュレーションはこれらの観測を再現し、0.4 μmでのバンチングファクター0.05、圧縮ファクター約7を明らかにする。この実証に基づき、我々はFACET-II向けのビーム駆動実装を提案する。これは、サブマイクロメートルのエミッタンス、キロアンペアのピーク電流、サブパーセントのスライスエネルギー広がりを持ち、数百ナノメートル波長で事前にバンチングされた多GeVビームを生成する。二段階磁気圧縮により、100 kAを超えるピーク電流を達成しながら、光学から極端紫外線波長まで調整可能なバンチングが可能になる。コヒーレント遷移放射の計算は、診断の実現可能性を確認する。このアプローチは、先進的な光子科学応用のためのコンパクトで高エネルギーの事前バンチング電子源への有望な道を提供する。