Photonic Crystal Laser Accelerator Structures
光子晶体作为激光驱动的加速器结构具有巨大的应用潜力。光子晶体是以周期性几何形状布置的介电结构。就像具有电子能带结构的晶体固体一样，光子晶体的模式位于一组允许的光子带中。类似地，光子晶体可能表现出一个或多个光子带隙，其中带隙中的频率不能在晶体中传播。因此，光子晶体可以将光模限制在全介电结构中，从而消除了对金属的需要及其在光频率下的特性损耗。我们讨论了几种光子晶体加速器结构的几何形状。光子晶体光纤（PCF）是一种可以在真空中限制光速光模的光纤。二维和三维的平面结构也可以限制这种模式，并且具有额外的优点，即它们可以使用普通的微制造技术（例如用于集成电路的那些技术）来制造。这允许各种可能的材料，以便可以选择具有期望的光学和辐射硬度特性的反射镜。我们讨论了模拟的光子晶体结构的例子，以证明涉及的比例律和权衡，并触及潜在的制造工艺。
2003-06-17 physics.acc-ph
Laser-plasma accelerator based single-cycle attosecond undulator source
激光等离子体加速器（LPAs）产生高质量的电子束，提供了将自由电子激光（FEL）的尺寸减小到只有几米的机会。本文提出了一个完整的基于自由电子激光技术的系统，该系统由一个LPA、两个波荡器和其他磁性器件组成。该系统能够产生载波包络相位稳定的阿秒脉冲。数值模拟结果表明，在30 ~ 120 nm波长范围内，脉冲能量可达60 nJ，脉宽为90 ~400阿秒。这些脉冲可用于研究物质中的超快场驱动电子动力学。
2017-08-30 physics.acc-ph physics.optics
Developments in laser-driven plasma accelerators
激光驱动等离子体加速器提供的加速梯度比传统机器大三个数量级，从而有可能将加速器的长度缩短相同的因子。到目前为止，激光加速电子束的粒子能量可比的同步加速器光源所提供的已被证明与等离子体加速阶段只有几厘米长。本文介绍了激光驱动等离子体加速器的工作原理，并回顾了它们从1979年提出到最近演示的发展。等离子体加速器的潜在应用进行了说明，必须克服的挑战之前，他们可以成为一个实用的工具进行了讨论。
2014-06-19 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Design of a multi-channel photonic crystal dielectric laser accelerator
为了对大多数科学和医学应用有用，紧凑型粒子加速器将需要比当前架构所能实现的高得多的平均电流。为此，我们提出了一种用于介质激光加速器的光子晶体架构，称为多输入多输出硅加速器（MIMOSA），其能够同时加速多个电子束，使总电子吞吐量增加至少一个数量级。为了实现这一点，我们证明了光子晶体必须支持倒易空间中$Γ$点处的模式，其归一化频率等于相位匹配电子的归一化速度.我们证明了MIMOSA的品质因数可以从相应的无限周期结构的本征模中推断出来，这为设计此类器件提供了一种强有力的方法.此外，我们扩展的MIMOSA架构的电子偏转器和其他电子操纵功能。这些额外的功能，与这些设备的增加的电子吞吐量相结合，允许在与当前制造技术兼容的完全集成架构中对电子束进行全光学片上操纵，这为非常规电子束成形、成像和辐射生成开辟了道路。
2020-01-27 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Simulation Study of Laser Plasma Accelerator Via Vorpal
本文利用PIC程序Vorpal对激光等离子体加速器分别在线性、准线性和非线性三种工作状态下进行了广泛的数值模拟。利用Vorpal模拟方法设计了能量约为100 MeV的激光等离子体加速器（LPA）。最后，我们讨论了所设计的LPA在紧凑型光源领域的应用。
2015-01-03 physics.acc-ph
Plasma Lenses for Relativistic Laser Beams in Laser Wakefield Accelerators
将拍瓦级激光束聚焦成用于不同应用的各种光斑尺寸在成本、劳动力和空间方面是昂贵的。在本文中，我们提出了一种等离子体透镜，利用激光自聚焦效应灵活地调整激光束的大小。使用固定的常规聚焦系统将激光聚焦在等离子体前方的短距离处，我们可以在一定范围内调节有效激光束腰，就好像使用各种聚焦系统与等离子体透镜一起充当望远镜中的可调节目镜。这样的设置是一个强大的工具，激光尾场加速器实验在国家的最先进的拍瓦激光项目，并允许扫描焦斑参数。
2019-01-23 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Origin and reduction of wakefields in photonic crystal accelerator cavities
支持加速模式的光子晶体（PhC）缺陷腔倾向于在带隙的顶部捕获对应于零群速度PhC晶格模式的不想要的高阶模式（HOM）。从光子带和微扰理论的参数解释的效果相当普遍。在基于蓝宝石棒三角晶格的混合介质光子晶体加速腔中观察到了这种效应引起的横向尾场。平均而言，这些尾场比波导阻尼紧凑型线性对撞机（CLIC）铜腔中的尾场高一个数量级。平移对称的避免（以及因此带隙概念）可以显著改善基于PhC的结构中的HOM阻尼。
2013-09-09 physics.acc-ph
On-Chip Laser Power Delivery System for Dielectric Laser Accelerators
提出了一种基于分形树枝型介质波导网络的介质激光加速器片上光功率传输系统。该系统用基于精确纳米制造的芯片集成技术取代了实验上要求严格的驱动激光束的自由空间操纵，使这些微型加速器的相互作用长度和总能量增益能够获得数量级的增加。基于计算模型，在相对论制度，我们的激光传输系统估计提供21 keV的能量增益超过192 μ m的加速长度与一个单一的激光输入，对应于108 MV/m的加速梯度。该系统可以通过顺序照射49个相同的结构在小于1cm的距离上实现1 MeV的能量增益。这些研究结果进行了验证，详细的数值模拟和建模的子组件，我们提供了一个讨论的主要限制，挑战和相关参数方面的片上激光耦合介质激光加速器。
2017-09-13 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Interferometry for full temporal reconstruction of laser-plasma accelerator-based seeded free electron lasers
激光等离子体加速器（LPA）的发展为自由电子激光的应用提供了广阔的前景。这些LPA光束的固有性质的处理已经允许基于LPA的自发波荡器辐射的受控产生。进一步，我们在这里揭示，即将到来的基于LPA的种子自由电子激光将呈现奇异的空间光谱分布。依靠数值模拟和简单的分析模型，我们展示了如何利用这些干涉图案来检索，在单发，光谱时间的内容和源点的自由电子激光脉冲的属性。
2019-06-28 physics.acc-ph
Energy limitation of laser-plasma electron accelerators
我们报告的系统和高精度的测量失相，从根本上限制激光尾场加速器的性能的效果。利用激波阵面注入技术，利用亚5 fs和8 fs激光脉冲测量了几MeV准单能束的加速和减速。典型的密度依赖的电子能量演化与65-300微米的退相长度和6-20 MeV的峰值能量观察到，并很好地描述了一个简单的模型。
2015-05-29 hep-ex physics.acc-ph physics.optics
Computational accelerator science needs towards laser-plasma accelerators for future colliders
激光等离子体加速器由于其高梯度，有可能将未来高能物理直线加速器的尺寸减小一个数量级以上。目前的研究正在进行中，包括LBNL的BELLA PetaWatt激光器，以实现高质量的10 GeV光束和多个模块的分段，以及注入和光束质量的控制。通往高能物理应用的道路可能涉及数百个这样的阶段，包括束流传输、调节和聚焦。目前的研究重点是解决未来对撞机详细概念设计所需的物理和研发挑战。在这里，用于模拟这些加速器和他们的资源需求的工具进行了总结，无论是目前的工作，并支持R&D解决问题的对撞机概念。
2013-09-28 physics.acc-ph
Microfabrication of Laser-Driven Accelerator Structures
我们讨论了使用激光驱动的加速器建设的微细加工技术的潜力。我们一般介绍微加工工艺，然后描述我们的调查一个特定的试验过程。最后，我们考虑的问题，微制造可能的未来结构。
2003-04-25 physics.acc-ph
Demonstration of a compact plasma accelerator powered by laser-accelerated electron beams
等离子体尾场加速器能够维持千兆伏/厘米的加速场，超过最先进的加速器模块中的电击穿阈值3-4个数量级。束流驱动尾流场为高质量束流的产生和加速提供了特别有吸引力的条件。然而，该方案依赖于更大规模的加速器。在这里，我们报告的演示毫米级等离子体加速器由激光加速电子束供电。我们展示了电子束加速到130兆电子伏，与模拟显示加速梯度超过100 GV/m。这种小型化的加速器进一步探讨通过采用一对受控的驱动和见证电子束，其中一小部分的驱动器能量被转移到加速见证通过等离子体。这种混合的方法允许在广泛访问的高功率激光设施的束驱动等离子体加速器的概念的基础研究。它有望为诸如自由电子激光等要求高质量的应用提供紧凑的高能高亮度电子束源。
2019-09-14 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Optical control of the topology of laser-plasma accelerators
提出了一种能够产生具有螺旋电流分布的相对论电子涡旋束的扭曲等离子体加速器。这些涡束的角动量是量子化的，主导着它们的横向运动，并导致在扭曲的尾流场周围的螺旋粒子轨迹。我们专注于激光尾流场加速的情况下，驱动的激光束与螺旋时空强度分布，也被称为光弹簧。我们发现，这些轻弹簧可以旋转，因为他们激发扭曲的等离子体尾场，提供了一种新的机制来控制扭曲的尾场相速度，提高能量增益和捕获效率超过平面尾场。
2018-07-13 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
High average gradient in a laser-gated multistage plasma wakefield accelerator
由粒子束驱动的等离子体尾场加速器能够提供比目前使用的射频技术高几个数量级的加速梯度，这可以减少粒子加速器的长度，这对未来TeV能量的对撞机的发展和X射线自由电子激光的最小化产生了巨大的影响。由于等离子体间的成分和距离是加速器总长度的最大贡献者之一，分级等离子体加速器的设计是最重要的悬而未决的问题之一，以使这项技术的工具。在这里，我们提出了一个新的概念，以优化等离子体间的距离在一个阶段的光束驱动的等离子体加速器的驱动光束耦合在时域和门控加速器通过飞秒电离激光。
2022-10-05 physics.acc-ph
Resonant Laser Cooling of Circular Accelerator Beams
研究了相对论带电粒子环形加速器束流的共振激光冷却。结果表明，在给定外加电磁波振幅（小增益自由电子激光）的近似下，带电粒子束的发射度减小。在质量能量单位约为100的粒子能量场中，束流能量损失可以忽略不计。所发现的效应可用于各种加速器中带电粒子束的冷却。通过将冷却装置放置在加速器轨道的适当点中，可以实现显著的冷却速率。考虑了各种情况下的谐振激光冷却。这种带电粒子束冷却方法可以应用于电子和各种相对论重粒子束的圆形加速器，并且与任何其他冷却方法相比，具有显著的约3-4个数量级的冷却时间。
2004-11-01 physics.acc-ph
Enhancement of electron energy to multi-GeV regime by a dual-stage laser-wakefield accelerator pumped by petawatt laser pulses
激光尾流场加速提供了一个紧凑的电子加速器的承诺，用于产生多GeV的电子束使用由强激光脉冲引起的巨大的场梯度，相比于传统的射频加速器。然而，来自激光尾场加速器的电子束的能量和质量受到驱动激光脉冲的功率和靶介质中的相互作用性质的限制。近年来，随着激光技术的发展，人们已经实现了拍瓦级飞秒激光器，这为激光尾波场加速的研究提供了新的可能性。在这里，我们提出了一个显着增加激光驱动的电子能量的多GeV的水平，利用30 fs，1 PW激光系统。特别是，一个双阶段的激光尾场加速计划（注入器和加速器计划）被施加到提升电子能量超过3 GeV与一个单一的PW激光脉冲。三维粒子模拟证实了PW激光脉冲驱动的双级激光尾场加速器产生的多GeV电子。
2013-09-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Enhanced energy gain in a dielectric laser accelerator using a tilted pulse front laser
使用800 nm，45 fs脉冲前倾激光器，我们在双光栅介质激光加速器（DLA）中获得了创纪录的315 keV的能量增益和560 MV/m的平均加速梯度（超过0.5 mm）。这些结果开辟了DLA中的一个新机制，其特征在于纵向相空间中光束分布的显著演化，对应于>1/4的同步振荡。通过倾斜激光波前，我们控制的DLA的共振速度，并观察到净能量增益，表明锥形光学相位可以用来实现非常高的能量增益。
2018-04-06 physics.acc-ph
Coupling of Laser-Generated Electrons with Conventional Accelerator Devices
基于激光的电子加速技术以其高初始能量、低发射度和高束流等突出特点引起了传统加速器界的极大兴趣。不幸的是，这种光束目前无法与传统加速器的光束相比，限制了它们在传统加速器可以具有的多种应用中的使用。除了在等离子体源本身上工作之外，一种有前途的方法来成形激光产生的光束是将它们与传统的加速器元件耦合，以便从通用电子源和可控光束中受益。在本文中，我们表明，通常使用的粒子加速器社区的一些参数必须重新考虑处理时，激光等离子体束。从激光产生电子的参数，可以得到现在由传统的数百TW激光系统，我们比较不同的常规磁晶格能够捕获和传输这些GeV电子。从这个比较中，我们突出了一些重要的限制，国家的最先进的等离子体产生的电子相对于传统的加速器。最后，我们讨论了这种光束在自由电子激光（FEL）波动器中的应用，这是光束质量要求最高的应用之一。
2011-12-15 physics.acc-ph
Observation of longitudinal and transverse self-injections in laser-plasma accelerators
激光等离子体加速器可以从一个厘米级的设备中产生高质量的电子束，能量高达千兆电子伏。电子束的性质和加速器的稳定性在很大程度上取决于电子注入加速器的阶段。最简单的注入机制是自注入，其中尾流场足够强以将冷等离子体电子捕获到激光尾流中。这种方法的主要缺点是缺乏镜头间的稳定性。在这里，我们提出的实验和数值结果表明存在两种不同的自注入机制。横向自注入被证明是导致低稳定性和质量差的电子束，因为一个强烈的依赖于激光脉冲的强度分布。与此相反，纵向注入，这是明确地观察到的第一次，被证明会导致更稳定的加速和更高质量的电子束。
2013-09-24 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
The Roads to LPA Based Free Electron Laser
本文简要介绍了自由电子激光和激光等离子体加速器的发展现状，并简要讨论了加速器界将激光等离子体加速器应用于自由电子激光领域的可能途径。
2014-01-01 physics.acc-ph
Comment on "Physics considerations for laser-plasma linear colliders" and on "Beamstrahlung considerations in laser-plasma-accelerator-based linear colliders"
C. B. Schroeder，E.埃萨雷角Benedetti和W. P. Leemans {Phys.Rev.STAccel. Beams 13，101301（2010）和15，051301（2012）}已经提出了基于等离子体尾场加速器原理的TeV级对撞机的一组参数。特别是，它建议，大于10^34 cm-2s-1的亮度是可以实现的电子-正电子对撞机。在这篇评论中，我们在第一原理的基础上对这组参数进行了争论。加速束与等离子体的相互作用对束的性质和可达到的亮度值施加了基本的限制。
2013-07-08 physics.acc-ph
Considerations for a TeV Collider Based On Dielectric Laser Accelerators
由红外激光器驱动的电介质微结构中的粒子加速，或“电介质激光加速”（DLA），是先进加速器研究的一个有前途的领域，有可能为能源前沿科学和各种其他应用提供更经济实惠和更高梯度的加速器。DLA利用成熟的工业制造能力和台式激光器的商业可用性来降低成本，轴向加速场在GV/m范围内。通过以非常低的每束电荷但以极高的重复率操作，将获得期望的亮度。由于其独特的操作参数制度，耦合的激光到加速器可以潜在的50\%的范围内，并与低beamstrahlung能量损失，由于在相互作用点，使DLA一个有前途的方法，为未来的多TeV直线对撞机。
2022-03-08 physics.acc-ph
Nonlinear plasma wavelength scalings in a laser wakefield accelerator
激光尾流场加速依赖于强激光脉冲的有质动力对等离子体波的激发。然而，激光尾流中的等离子体波列却很少在实验中直接研究。在这里，我们使用几个周期的阴影与干涉测量相结合，以量化由激光激发的等离子体波的GeV级加速器的密度范围内，即几个1 e18 cm-3。虽然分析模型表明非线性等离子体波长和峰值电势a_0之间存在明显的依赖关系，但我们的研究表明，分析模型仅对驱动强度a_0<=1是准确的。实验数据和系统的粒子模拟表明，等离子体波列的非线性延长不仅取决于激光峰值强度，而且还取决于焦点的腰部。
2020-01-26 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Longitudinal Laser Shaping in Laser Wakefield Accelerators
本文研究了激光尾流场加速器中激光与等离子体相互作用过程中尾流激发的能量学。我们发现，尾流振幅和加速效率（Transformer比）可以通过适当的驱动激光脉冲的纵向轮廓的形状最大化。在激光与等离子体相互作用的非线性区域，导出了相应的激光脉冲族。这样的形状通过允许激光脉冲内的均匀光子减速而提供尾流场的大小和效率的理论上限。我们还构建了现实的最佳脉冲形状，可以产生在有限带宽的激光系统。
2000-08-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Simulation of deflecting structures for dielectric laser driven accelerators
在激光照射介质加速器（DLA）中，由于材料在光频下的高损伤阈值，可以实现高加速梯度。这是发展更紧凑的粒子加速器技术的必要条件。由戈登和贝蒂摩尔基金会资助的CHip国际项目的加速器正在研究这种设备。需要操纵光束的手段，即聚焦和偏转，以使这些装置正常工作。这些方法应该依赖于与加速结构相同的制造和动力技术。在这项研究中，不同的概念，介质激光驱动偏转结构的研究通过粒子在细胞（PIC）模拟和比较后。进行比较相对于光束操纵的适用性。另一个有趣的应用将被调查作为一个诊断设备的超短电子束从传统的加速器功能像一个射频横向偏转腔（TDS）。
2018-02-06 physics.acc-ph
Feasibility study for the hard x-ray free electron laser based on synergistic use of conventional and plasma accelerator technologies
探讨了用常规射频加速器作为等离子体驱动尾场加速器的注入器的可能性。传统的加速器提供具有低发射度和低能量扩散的高质量光束。一旦注入到等离子体尾流中，发射度可以在适当的束匹配时被保持，而能量扩散可能不会由于由常规加速器递送的长束持续时间而导致。估算了整个加速器系统和基于该加速器的自由电子激光的参数。
2022-10-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Revealing Laser and Electron Beam Evolution in 10-GeV-class Laser-Plasma Accelerators
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
通过结合纵向分辨的电子束诊断与激光谱演变测量，研究10 GeV级LPA中等离子体密度分布，验证模拟显示延长加速器长度可将电子束能量提升至15 GeV，甚至通过线性匹配实现20 GeV电子束。
2026-04-28 physics.acc-ph
1D Longitudinal Beam Dynamics of Laser Plasma Wakefield Accelerator
本文给出了激光驱动下等离子体静电尾流的一维近似解析解，得到了经高阶非线性项修正后的尾流振荡频率，发现尾流振荡频率依赖于尾流和激光的振荡振幅，这是一种普遍的非线性现象。最后分析了静电尾流中的纵向束流动力学，发现高阶项并没有改变纵向相空间的拓扑结构。
2011-03-27 physics.acc-ph
Laser Wakefield Accelerators
一维尾流场生成方程求解的非线性增加的水平，演示它们如何有助于在等离子体中的非线性尾流场的整体行为。本文还研究了激光导引效应对提高尾波场加速器相互作用长度的影响。
2017-05-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Silicon dual pillar structure with a distributed Bragg reflector for dielectric laser accelerators: Design and fabrication
介质激光加速器（DLA）已被证明是小型化粒子加速器的良好候选者。它们依赖于能够在适当的激光照射下调制入射电子束的动能的微制造的电子束。在本文中，我们展示了一个双柱结构与分布式布拉格反射镜模仿双面照明的电子路径。该结构是由电子束光刻技术，然后低温反应离子刻蚀工艺制造。这样的结构可以通过大约150 MeV/m的梯度加速注入的28 keV电子，其可以进一步朝着GeV/m范围优化。
2018-10-25 physics.acc-ph
Feasibility of OTR Imaging For Laser-Driven Plasma Accelerator Electron-Beam Diagnostics
我们报告的初步考虑使用线偏振光学跃迁辐射（OTR）的激光等离子体加速器（LPAs），如在德克萨斯大学奥斯汀分校的电子束的特征。这两个LPA在100 MeV和2-GeV下工作，目前估计归一化发射度为~ 1 mm mrad，束流发散度小于1/γ，束流尺寸在微米级确定。分析建模结果表明，使用这些OTR技术的LPA应用的可行性。
2018-05-10 physics.acc-ph
A final focus system for injection into a laser plasma accelerator at the ARES linac
ARES（加速器研究实验在SINBAD）是一个直线加速器在SINBAD（短创新束和加速器在DESY）设施在DESY。ARES的设计是将传统的基于RF的加速器技术的可再生光束与新颖但仍处于实验阶段的加速技术相结合。它的目标是在100-150 MeV的光束能量下产生亚fs到几fs范围内的高亮度超短电子束团，适合注入到新型加速实验中，如介质激光加速（DLA）和激光驱动等离子体加速（LPA）。本文报道了用于注入ARES LPA实验的最终聚焦系统的概念设计和模拟，包括永磁四极杆（PMQ）、足够的共线激光和电子输运纵向空间、所需诊断空间和LPA装置。空间电荷效应起着重要的作用，并包括在内。对ARES电子聚束在激光驱动等离子体中的聚焦和输运进行了模拟。几个错误的影响进行了模拟，并报告。
2021-02-17 physics.acc-ph
High-charge relativistic electron bunches from a kHz laser-plasma accelerator
我们报告了在几毫焦耳的近单周期激光脉冲在千赫重复率的共振气泡制度的电子尾场加速。使用非常紧密的激光脉冲与微尺度超音速气体射流的聚焦，我们证明了一个稳定的相对论性电子源，每脉冲高达24 pC/射击的高电荷。相应的平均电流为24 nA，使该千赫兹电子源适用于各种应用。
2017-11-17 physics.acc-ph
Stern-Gerlach surfing in laser wakefield accelerators
本文研究了在激光尾流场加速器中加入Stern-Gerlach型洛伦兹力对电子的影响。Stern-Gerlach型的条款被发现产生一个家庭的轨迹描述电子冲浪沿等离子体密度波驱动的激光脉冲。这样的轨迹可能导致电子聚束尺寸的增加，这可能对在未来的自由电子激光中利用这样的聚束的尝试具有影响。
2015-03-11 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Two-Pulse Direct Laser Acceleration in a Laser-Driven Plasma Accelerator
本文介绍了在激光驱动等离子体加速器中进行双脉冲激光直接加速的方法和初步观察。这种加速机制使用第二共同传播的激光脉冲来重叠并进一步加速尾场气泡中的电子，与传统的激光尾场加速（LWFA）相比，以发射率为代价增加能量。为此，我们介绍了一种飞秒尺度的两个共同传播的脉冲之间的时间延迟控制的方法。当两个脉冲之间的距离接近气泡半径时，我们显示出能量增强。
2021-06-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Nonlinear response in high-field dielectric laser accelerators
激光供电的电介质结构通过利用能够产生超过10 GV/m的电场的现代激光技术来实现高梯度粒子加速。这些场可以驱动体电介质超出其线性响应，并打破加速场和电子之间的相位同步性。在实验中，用能量密度为0.7J/cm $^2$的45 fs激光脉冲照射光栅复位介质结构，用高亮度的8 MeV电子束探测1.8GV/m的加速场。
2017-07-07 physics.acc-ph
High average power ultrafast laser technologies for driving future advanced accelerators
为了推进高能物理和加速器物理的能源前沿，需要大型激光装置。激光等离子体加速器是旨在达到TeV电子对撞机的先进加速器概念的核心。在这些设施中，强激光脉冲驱动等离子体，并用于在非常短的距离内将电子加速到高能量。激光等离子体加速器原则上可以达到高能量，其加速长度比传统的基于RF的加速器短1000倍。理论上，激光驱动的粒子束能量可以超越现有技术的常规加速器。在高度发展的激光技术的支持下，LPA已经在大约20厘米的距离内产生了多GeV的电子束，相对能量扩展大约为2%。这验证了美国能源部战略的关键要素，这种加速器，使未来的对撞机，但扩展到TeV对撞机迄今为止的最佳结果将需要更高的平均功率的激光器。虽然激光驱动对撞机所设想的每脉冲能量可以用当前的激光器实现，但低激光重复率限制了潜在的对撞机亮度。应用将需要在焦耳能量和高效率下的kHz到数十kHz的速率，并且对撞机将需要大约100个这样的级，这是当前Hz级LPA的飞跃。这意味着激光重复率将比现有技术水平提高1000倍。本白皮书介绍了候选激光系统的当前研究和前景，以及驱动未来先进加速器所需的宽带和高损伤阈值光学器件。
2022-05-02 hep-ex physics.acc-ph
Laser Plasma Accelerators
在激光等离子体加速器的研究活动铺平了许多重大突破。这篇评论文章提供了一个机会，以显示这一研究领域的令人难以置信的演变，在创纪录的时间，使物理学家使用紧凑的激光系统产生高质量的电子束在GeV级。我将展示引导我们探索不同注入方案的科学路径，并通过控制电荷、相对能量扩散和电子能量来产生稳定、高峰值电流和高质量的电子束。
2011-12-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Development of an achromatic spectrometer for a laser-wakefield-accelerator experiment
University of Oslo（奥斯陆大学）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）
本文提出了一种色散谱仪的设计，用于诊断和优化等离子体相互作用，通过非线性等离子体透镜实现高发散和能量分散电子束的高分辨率分析。
2025-05-16 physics.acc-ph
Carrier-Envelope Phase Controlled Electron Injection into a Laser-Wakefield Accelerator
单周期激光脉冲在等离子体中传播时，根据激光载波包络相位（CEP），引起可控的非对称等离子体电子从激光器中排出，形成振荡的等离子体泡。气泡的横向尾流场被修正，呈现周期性调制。提出了一种将单周期低频激光脉冲和多周期高频激光脉冲相结合的激光尾场加速器注入方案。共同传播的激光脉冲形成横向振荡的尾场，该尾场有效地捕获和加速来自背景等离子体的电子。通过调节单周期激光脉冲的初始CEP，可以独立于多周期脉冲来修改注入动力学，从而能够控制电子聚束的空间轮廓。
2021-06-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effect of the laser wavefront in a laser-plasma accelerator
利用kHz、几毫焦耳的激光脉冲在低密度等离子体中聚焦产生高重复频率的电子源。这种高强度的激光等离子体相互作用导致稳定的电子束在几个小时内，但具有惊人的复杂的横向分布，即使是质量好的激光焦斑。实验数据的分析，以及PIC模拟的结果证明了激光波前对电子加速的作用。激光波前的畸变导致散焦激光分布的空间不均匀性，因此，激光脉冲驱动不均匀的横向尾场，其聚焦/散焦特性影响电子分布。这些发现解释了实验结果，并提出了通过剪裁激光波前来控制激光等离子体加速器中电子空间分布的可能性。
2015-01-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
GeV-scale accelerators driven by plasma-modulated pulses from kilohertz lasers
我们描述了一种新的方法，驱动GeV级等离子体加速器与长激光脉冲。我们发现，一个长的，高能量的驱动激光脉冲的时间相位可以调制周期性的共同传播它与低振幅的等离子体波驱动的短，低能量的种子脉冲。通过色散光学器件对调制驱动器的压缩产生适于共振地驱动等离子体加速器的短脉冲的训练。调制的驱动程序发生通过良好控制的线性过程，证实了粒子在细胞（PIC）模拟和分析模型之间的良好协议。PIC模拟表明，一个1.7 J，1 ps的驱动器和一个140 mJ，40 fs的种子脉冲可以加速电子的能量为0.65 GeV的等离子体通道与轴向密度为2.5 × 10 $^{17}$ cm $^{-3}$。这项工作开辟了一条由薄盘激光器驱动的高重复率，GeV级等离子体加速器的路线，它可以提供焦耳级，皮秒持续时间的激光脉冲，重复率为几千赫兹，壁插效率高。
2021-10-27 physics.acc-ph
Radiation Protection at ELI Beamlines: A Unique LaserDriven Accelerator Facility
极光基础设施（ELI）光束线是位于布拉格市郊区的激光驱动加速器设施。凭借其最先进的激光器，它将开展一项雄心勃勃的多样化研究计划。ELI Beamlines的活动可以细分为科学兴趣的互补领域：开发和测试多PW激光系统、等离子体物理、高场物理实验、飞秒二级电离辐射源的生产等新技术（极紫外线辐射，X射线，伽马射线，电子和质子）用于物理学，生物学，医学，自2018年上半年以来，内部实验已经在进行，第一次用户呼叫和实验于2019年开始。在这篇文章中，ELI Beamlines加速器设施及其当前的运行状况得到了更详细的介绍。特别注意的是辐射防护计划的设计和实施，强调这一激光设施在辐射安全方面提出的独特挑战。
2021-04-12 physics.acc-ph
Injection induced by coaxial laser interference in laser wakefield accelerators
提出了一种利用同轴激光脉冲干涉产生高质量光束的新注入方案。在该方案中，相对松散聚焦的激光脉冲驱动等离子体尾场，并且具有相似强度的紧密聚焦的激光脉冲触发干涉环图案，该干涉环图案在等离子体尾场中产生洋葱状的多鞘层。由于紧聚焦激光的聚焦位置后波前曲率的变化，尾流场的最内层鞘层膨胀，这减慢了尾流场的有效相速度并触发等离子体电子的注入。粒子在细胞模拟表明，高品质的电子束具有低的能量扩散（每轧机几个），高电荷（百皮库仑）和小发射度（亚毫米毫弧度），同时可以产生适当选择的两个激光器之间的相位差使用适度的激光参数。
2022-05-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
SHarD: A beam dynamics simulationcode for dielectric laser acceleratorsbased on spatial harmonic field expansion
为了演示片上介质激光加速器（DLA）对电子的相对论性加速，提出了一种有质动力聚焦方案，该方案能够在扩展的相互作用长度上通过纳米尺度的孔径捕获和传输电子。我们提出了一个基于Matlab的数值代码（SHarD），利用空间谐波展开的领域内的介质结构来模拟的光束相位空间分布的演变，在这个计划。该代码可以用来优化关键参数的加速器性能，如最终的能量，横向光斑大小的演变和总电子数通过当前制造的结构加速。最后，仿真模型将被应用到通知的相位掩模轮廓被添加到一个脉冲前倾角驱动激光脉冲使用液晶掩模在实验装置正在组装在加州大学洛杉矶分校飞马座实验室。
2021-07-23 physics.acc-ph
Quasi-monoenergetic Laser-Plasma Positron Accelerator using Particle-Shower Plasma-Wave interactions
建立了厘米级激光等离子体正电子全光加速器模型，用于产生超相对论能量可调的准单能光束。这里阐明的一个新原理描述了捕获发散正电子，这些正电子是激光驱动的电磁簇射的一部分，具有大的能量扩展，并且它们在激光驱动的等离子体波中加速成准单能正电子束。使用分析和Particle-In-Cell模拟证明了这一原理，在这里定义的限制下，现有的激光器可以加速数百MeV pC准单能正电子束。通过提供一个负担得起的替代更大规模的射频加速器，这种紧凑的正电子加速器开辟了新的研究途径。
2018-04-18 physics.acc-ph physics.app-ph physics.comp-ph
Coherent ultra-broadband laser-assisted injection radiation from a laser plasma accelerator
在激光尾场加速器（LWFA）中注入电子，观察到强烈的相干超宽带超短脉冲辐射闪光，这与电子在< ~ 1 $μ$ m距离内从静止加速到接近光速的过程相一致。闪光是足够明亮的诱导光学材料的大的非线性折射率的变化，我们估计一个源的亮度温度为~ $10^{18}$ K。我们目前的闪光光谱，相干性，脉冲持续时间，偏振和角分布的测量，提供一个详细的图片在LWFA的电子注入动力学。这些是离轴电子的激光辅助注入的特征，其保留了尾流相干性。
2018-09-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma Injection Schemes for Laser-Plasma Accelerators
在激光等离子体加速器中，等离子体注入方案是产生高质量电子束的关键。本文介绍了等离子体注入的一般概念。首先，介绍了等离子体波中粒子捕获和加速的哈密顿模型，在此哈密顿模型的框架下描述了电离注入和碰撞脉冲注入。然后，我们继续考虑注入等离子体密度梯度。
2017-05-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Compton recoil effects in staging of laser wakefield accelerators
能够产生>10 GeV电子束的激光等离子体加速器可能需要等离子体镜在每个加速器阶段结束时去除未耗尽的激光能量。在等离子体镜表面附近，电子聚束可以与反射光相互作用，导致逆康普顿散射。对于现实的条件下，我们表明，一个显着的一部分电子发射一个或多个光子，增加了电子束的能量扩散。我们提供了一个分析表达式计算这种效果，并使用它来估计等离子体镜前所需的最小漂移空间，以满足给定的能量扩散规格。缓解策略，必要的实现分百分比的能量扩散在多GeV激光尾场电子源，提出和探索。
2020-07-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Observation of Plasma-Undulator Harmonics from a Laser Wakefield Accelerator
这篇论文已被作者撤回。分析中的一个假设在实验条件下是不成立的。
2010-03-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Polarization dependent beam pointing jitter in laser wake field accelerators
我们提出的实验结果，这表明激光偏振依赖于电子束指向抖动的激光尾波场加速器（LWFA）的贡献。我们开发了一个理论模型的极化依赖性方面的横向动力学的被困电子，共振驱动的气泡质心振荡。后者是由自陡激光脉冲前沿的载波相位演化产生的。在该模型中，偏振相关抖动源于激光载波包络相位的逐波波动。该模型通过粒子模拟得到验证，并表明对于非CEP稳定系统，偏振相关抖动可能会形成LWFAs中光束指向稳定性的最终限制。
2022-06-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Elements of a dielectric laser accelerator
高能粒子束在基础研究、医学和相干X射线产生中的广泛使用，加上现代射频（RF）加速器设备和设施的大尺寸，已经激发了对在RF之外的机制中操作的替代加速器的强烈需求。在光学频率下工作的电介质激光加速器（DLAs）-透明的激光驱动纳米级电介质结构，其近场可以同步加速带电粒子-已经证明了各种激光波长，材料和电子束参数的高梯度加速，可能使小型化加速器和桌面相干x射线源成为可能。为了实现一个有用的（即可扩展的）DLA，关键的发展仍然是：级联的组件，包括持续的相位同步，以达到任意的最终能量，以及偏转和聚焦元件，以保持光束沿设计轴准直。在这里，所有这些元素都是用亚相对论电子束演示的。特别地，通过用两个时空分离的脉冲激光束照射纳米光栅来产生两个相互作用区域，我们证明了电子能量增益从0.7到1.4 keV的相位控制倍增（初始束能量的2.5%至5%）并且通过使用啁啾光栅几何形状，我们克服了25 keV电子的退相限制，将它们的能量增益增加到激光功率限制为它们初始能量的10%。此外，通过抛物线光栅几何形状实现焦距低于200微米的电子束的光学驱动横向聚焦。这些结果奠定了未来小型化相位同步真空结构加速器的基石。
2016-06-06 physics.acc-ph
Beam by design: laser manipulation of electrons in modern accelerators
基于加速器的光源，如储存环和自由电子激光，使用相对论电子束在宽光谱范围内产生强辐射，用于物理学、化学、材料科学、生物学和医学的基础研究。全世界有十多个这样的辐射源，正在建造新的辐射源，以提供符合新研究日益复杂和深入的辐射。即便如此，传统的加速器技术往往无法跟上新的需求，因此，新的方法不断出现。在这篇文章中，我们回顾了各种最近开发的和有前途的技术，依赖于激光操纵和重新排列的电子分布，以定制的辐射的属性。综述了电子-激光相互作用的基本理论、在电子束中产生微结构和纳米结构的技术以及产生具有可定制波形的辐射的技术。我们综述了基于激光的技术，用于产生完全相干的x射线，锁模的x射线脉冲序列，轨道角动量的光，和阿秒甚至零秒长的相干脉冲在自由电子激光。讨论了在储存环中产生飞秒脉冲的几种方法。此外，我们描述了各种方案，旨在提高性能的光源，通过精确的光束准备，包括光束调节，激光加热，发射度交换，和各种基于激光的诊断。这些技术共同代表了现代加速器中一个新兴的“设计束流”概念，这是本文的主要焦点
2014-04-09 physics.acc-ph
