[論文レビュー] Multi-GeV electron bunches from an all-optical laser wakefield accelerator

B. Miao, J. E. Shrock+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、20 cm の低密度水素ガスジェット内で自己波ガイド化した15 J、45 fs のレーザーパルスを用いた完全にオールオプティカルなレーザー・ウェーブフィールド加速器により、マルチ-GeV級電子ビームを実証した。このシステムは最大25 GeV/mの加速勾配を達成し、エネルギーが5 GeVに達する電子を生成し、電荷は10 pC以上、相対エネルギー幅約15%の準単エネルギー分散スペクトルを示した。これは自己形成されたプラズマ波ガイドと、ポンプ消費によるデフォーザンに起因する制限要因によって可能となった。

ABSTRACT

We present the first demonstration of multi-GeV laser wakefield acceleration in a fully optically formed plasma waveguide, with an acceleration gradient as high as 25 GeV/m. The guide was formed via self-waveguiding of <15 J, 45 fs (

研究の動機と目的

• 外部プラズマガイドを用いない完全にオールオプティカルなレーザー・ウェーブフィールド加速器でマルチ-GeV級電子加速を実証すること。
• 低密度水素ガスジェットにおける自己波ガイド化レーザーパルスを用いて高い加速勾配を達成すること。
• レーザーの指向性安定性およびガスジェットの均一性が電子ビーム品質およびショット・トゥ・ショットの再現性に与える影響を調査すること。
• ポンプ消費が長距離レーザー誘導においてデフォーザンとエネルギー取得に与える影響を検討すること。

提案手法

• 低密度水素ガスジェット内での15 J、45 fs レーザーパルスの20 cm にわたる自己波ガイド化により、プラズマ波ガイドを形成する。
• 自己形成された波ガイドにレーザーパルスを注入し、プラズマウェーブフィールドを励起して電子を加速する。
• 1000 nm のレーザーシステムを用い、300 TW のピークパワーでウェーブフィールドを駆動し、高勾配加速を実現する。
• 電子エネルギースペクトル、電荷、発散角の測定により、ビーム品質および安定性を評価する。
• エネルギー取得の依存性を調査するため、軸上プラズマ密度を1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³ の範囲で系統的に変化させる。
• レーザー指向性およびガスジェット均一性の関数として、ショット・トゥ・ショットのスペクトルおよび電荷安定性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己形成されたプラズマ波ガイドを用いた完全にオールオプティカルなレーザー・ウェーブフィールド加速器で、マルチ-GeV級電子ビームを生成できるか？
• RQ2 軸上プラズマ密度が加速された電子のエネルギー取得およびスペクトル品質に与える影響は何か？
• RQ3 レーザー指向性安定性およびガスジェット均一性が、電子ビームスペクトルおよび電荷の再現性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 ポンプ消費が、長距離レーザー誘導におけるエネルギー取得の制限要因としてデフォーザンを引き起こす役割を果たすか？
• RQ5 外部ガイド構造を用いない自己波ガイド化構成で、25 GeV/mを超える加速勾配を達成できるか？

主な発見

• 15 J、45 fs のレーザーパルスを用いた自己形成プラズマ波ガイドにおいて、ピーク加速勾配が25 GeV/mに達した。
• 電子ビームは最大5 GeVのエネルギーに達し、相対エネルギー幅約15%の準単エネルギー分散ピークを示した。
• 電子電荷は最小で約10 pCと測定され、最適なレーザー指向性およびガスジェット均一性条件下で安定したビームが観測された。
• エネルギー取得は、1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³ の範囲における軸上プラズマ密度と逆相関関係にあった。
• レーザー指向性のドリフトおよび非均一なガスジェットは、ショット・トゥ・ショットのスペクトルおよび電荷安定性を著しく劣化させた。
• ポンプ消費に起因するデフォーザンの証拠が観測され、長距離光学誘導による最大エネルギー取得が制限された。