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
Design of a 5 GeV Laser Plasma Accelerating Module in the Quasi-linear Regime
多GeV级激光等离子体加速模块是激光等离子体加速器的关键部件，因为它们可以用作上游等离子体或常规注入器的助推器，或者作为多级高能等离子体直线加速器的模块加速段。这样的等离子体模块，在准线性制度，已被设计为5 GeV的激光等离子体加速器阶段（LPAS）的EuPRAXIA项目。将激光脉冲（$\sim$ 150 TW，$\sim$ 15 J）准匹配到等离子体通道（$n_{\rm p} = 1.5\times 10^{17}$ cm $^{-3}$，$L\sim$ 30 cm）中，并且将双高斯电子束从外部注入尾流场中。通过使束尺寸与横向聚焦场匹配，在加速过程中保持束流发射度。通过优化束流加载效果，最终获得了$<$ 1%的能量扩展。已经提出了几种方法来减少切片能量扩散，并被发现是有效的。在洛伦兹增强坐标系中用3D PIC代码Warp进行模拟。
2018-02-22 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 acceleration driven by few-cycle laser pulses in overdense plasmas
我们测量了相对论范围内超短激光脉冲与固体密度等离子体相互作用中高能电子的发射。我们检测到的电子束，只出现了几个周期的脉冲（< 10 fs）和大等离子体尺度长度（$L > λ_0$）。数值模拟，与实验一致，揭示了这些电子被加速的激光尾流场。在等离子体的近临界密度区，几个周期的激光脉冲确实共振激发了等离子体波。然后电子通过电离注入等离子体波并加速到相对论能量。这项研究提供了一个前所未有的洞察物理发生在几个周期的制度。
2018-06-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma wake inhibition at the collision of two laser pulses in an underdense plasma
文献[1]和[2]提出了一种用于激光等离子体加速器的电子注入器概念，它依赖于使用反向传播的超短激光脉冲。在文献[2]中，方案是这样的：泵浦激光脉冲产生一个大振幅的激光尾波场（等离子体波）。反向传播的注入脉冲与泵浦激光脉冲干涉以产生拍频波图案。拍波的有质动力能够将等离子体电子注入尾流场中。我们已经研究了这种注入方案，使用1D粒子在细胞（PIC）模拟。模拟揭示了以前模型中没有考虑到的现象和重要的物理过程。特别地，在激光脉冲的碰撞处，大多数等离子体电子被捕获在拍频波图案中，并且不能有助于支持等离子体波的集体振荡。在这一点上，流体近似失败，等离子体尾流被强烈抑制。因此，注入的电荷减少了一个数量级相比，从以前的模型的预测。
2007-03-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Confined Continuous-Flow Plasma Source For High-Average-Power Laser Plasma Acceleration
在过去的几十年里，高功率激光系统的显著进步使得激光驱动等离子体加速器的发展取得了快速进展。今天，在光束稳定性和再现性方面获得的结果表明，激光等离子体加速是传统加速器的一种可行且有前途的替代方案。由于一些电子束和次级源应用需要高平均电流，现在的主要焦点是增加束的重复率。在下文中，我们介绍了一种用于kHz电子加速的新型等离子体源，该等离子体源提供连续且空间受限的气流，同时使加速室中的气体负载最小化。
2022-05-05 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
Laser Shaping and Optimization of the Laser-Plasma Interaction
研究了激光尾场加速器中激光与等离子体之间的能量传递物理。我们发现，尾流激发任意形状的激光可以参数化使用的总脉冲能量和脉冲耗尽长度。确定产生所需的等离子体激发的激光轮廓的技术开发。我们表明，通过适当地塑造驱动激光脉冲的纵向轮廓，有可能最大化的Transformer比和尾波振幅，实现最佳的激光等离子体耦合。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。这种形状通过允许激光脉冲内的均匀光子减速而提供了尾流场的大小和加速级的效率的理论上限。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，并提出了一个双脉冲尾流放大方案使用的最佳解决方案。
2000-08-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma wakefield excitation by incoherent laser pulses: a path towards high-average power laser-plasma accelerators
在激光等离子体加速器（LPA）中，在等离子体中传播的短而强的激光脉冲驱动尾场（具有相对论相速度的等离子体波），该尾场可以维持极大的电场，从而实现紧凑的加速结构。潜在的LPA应用包括紧凑型辐射源和高能线性对撞机。我们提出并研究了由大量低能激光脉冲（即，而不限制脉冲相位）。我们表明，尽管在由脉冲所占据的体积内的电磁场的非相干性质，激发的尾场是定期的，其振幅是可比的或等于使用一个单一的，相干的脉冲具有相同的能量。这些结果为下一代基于LPA的应用提供了一条途径，其中非相干组合的多个脉冲可以实现高重复率、高平均功率的LPA。
2014-04-17 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
Laser-plasma acceleration in a conical plasma channel with longitudinally inhomogeneous plasma profile
本文研究在纵向非均匀等离子体密度的锥形通道中提升激光等离子体加速性能，证明该结构能维持自注入束团加速相位并压缩激光脉冲，从而显著提高加速梯度和束团纵向动量。
2025-06-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Similarity for ultra-relativistic laser plasmas and the optimal acceleration regime
发展了超相对论激光等离子体的相似理论。结果表明，最基本的S-相似性是有效的下和过密等离子体。给出了激光尾流场电子加速的最佳定标关系。本工作的强有力的信息是，气泡加速状态[参见Pukhov，Meyer-ter-Vehn，Appl. Phys. B，vol.74，355（2002）]满足这些最佳缩放。
2004-11-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-plasma acceleration beyond wave breaking
激光尾波场加速器依靠非线性等离子体波的极高电场来捕获电子并在短距离内将其加速到相对论能量。当受到足够强的驱动时，等离子体波会破裂，捕获大量支持其运动的背景电子。这限制了最大电场。在这里，我们介绍了一种新颖的等离子体波激发和尾场加速机制，该机制消除了这一限制，允许任意高的电场。该制度，使激光脉冲的时空成形，利用超光速相速度的非线性等离子体波不能捕获带电粒子，因此不受波破碎的属性。在这种制度下运行的激光尾场加速器提供了独立于等离子体密度的能量可调谐性，并且可以容纳由现代和计划的高功率短脉冲激光系统提供的大激光振幅。
2020-08-20 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A viable laser driver for a user plasma accelerator
采用具有优异光束质量的激光驱动等离子体加速的新型用户设施的构造将需要超出现有技术的工业级、高重复率的petawatt激光驱动器。然而，随着啁啾脉冲放大和高平均功率激光技术的持续快速发展，可以根据设想的激光等离子体加速方案和构建的时间尺度来确定选项。在这里，我们讨论激光EuPRAXIA基础设施设计的要求，并确定一个合适的激光概念，可能会满足这些要求与现有技术的适度发展。
2018-02-12 physics.acc-ph physics.ins-det
Laser reflection as a catalyst for direct laser acceleration in multipicosecond laser-plasma interaction
我们证明，激光反射作为一种催化剂的superponderomotive电子的生产在预等离子体形成的相对论多皮秒激光入射到固体密度目标。在一维粒子模拟中，高能电子的产生通过两个阶段的直接激光加速进行，一个初始的随机向后阶段，和一个最终的非随机向前阶段。由反射激光脉冲驱动的初始随机阶段提供了使最终阶段成为非随机阶段所需的预加速。在静电势中的能量增益，这是经常被认为是增强随机加热，只是次要的。激光脉冲入射到固体密度靶上产生高能电子的机制与涉及多皮秒激光-等离子体相互作用的应用直接相关。
2020-01-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Quasimonoenergetic electron beams produced by colliding cross-polarized laser pulses in underdense plasmas
两个激光脉冲在欠密等离子体中的相互作用已被证明能够在等离子体波中注入电子，从而提供稳定且可调谐的电子源。而以前的工作集中在“拍波”的注射计划，其中两个激光器具有相同的偏振在等离子体中碰撞，这封信研究的偏振效应，更具体地说，两个碰撞交叉偏振激光脉冲的相互作用。理论和实验表明，电子也可以被预加速和注入的随机加热发生在碰撞的两个交叉偏振激光，从而，一个新的制度的光学注入演示。研究发现，在较高的激光强度下，发生交叉偏振激光注入。
2008-09-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-driven Plasma Wakefield: Propagation Effects
在激光驱动尾流场加速的框架内，描述了激光传输和等离子体波激发的主要特性，着重讨论了传输距离对电子加速的作用。为了优化相互作用长度和最大化能量增益，低等离子体密度操作是实现超相对论能量的最有希望的区域。在低等离子体密度条件下延长激光传输长度的方法中，介质毛细管壁掠入射反射激光导引有几个优点。本文介绍了激光导引的特性和长距离等离子体波的测量。
2017-05-30 physics.acc-ph physics.plasm-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
Precision alignment and tolerance of a plasma wakefield accelerator in a laser-ionized plasma source
本文提出通过分析等离子体余辉光强分布实现激光电离等离子体源与PWFA电子束的精密对准，并实验确定了对准容差，为对撞机与光源设计提供关键参数。
2025-08-23 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
Laser Excitation of Wakefields in a Parabolic Plasma Channel
在抛物线等离子体通道中传播的具有时间上的方形轮廓的高斯激光脉冲对电子施加有质动力，该有质动力驱动大幅度的静电尾流电势。当满足特征关系时，φ的解析解是可能的。对于脉冲持续时间τ ~ 9 τ_p / 4，其中τ_p是等离子体周期，轴上的等离子体尾流电势是有质动力电势φ_0的两倍。
2005-11-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Quasi-monoenergetic femtosecond photon sources from Thomson Scattering using laser plasma accelerators and plasma channels
窄带宽、高能量光子源可以通过激光从高能电子的汤姆逊散射产生，并且需要对相互作用进行详细控制以产生高质量源。我们提出了分析计算的能量角谱和光子产率参数化的电子和激光束参数的影响，使源设计。这些计算，结合数值模拟，被施加到使用传统的散射在真空中的源和方法，用于改善通过激光波导或等离子体通道的源进行评估。我们发现，光子通量可以大大增加，通过使用等离子体通道引导激光在相互作用过程中。相反，我们表明，要产生给定数量的光子，所需的激光能量可以通过使用等离子体通道减少一个数量级。此外，我们表明，等离子体可以用作一个紧凑的束流转储，其中的电子束在短距离内减速，从而大大减少辐射屏蔽。现实的实验误差，如横向抖动定量示出是可以容忍的。提供了能够执行核共振荧光和光裂变的源的设计的实例。
2014-06-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Mechanisms to control laser-plasma coupling in laser wakefield electron acceleration
实验结果，支持精确的建模，证明优化的等离子体为基础的注射器与中间激光脉冲能量（$<1$ J），对应于一个归一化的矢量势$a_0 = 2.15$，使用电离注入量身定制的等离子体密度分布。在实验上实现了电子聚束质量和能量的增加与在等离子体出口处的密度下降斜坡的延伸。优化的激光脉冲在定制的等离子体密度分布的焦点位置示出，以有效地减少电子束角偏差，导致更好的对准的电子束与激光轴。单峰电子光谱产生在一个以前未探索的制度，通过结合早期的焦点位置和自适应光学控制的激光波前，通过优化的对称性的预聚焦激光能量分布。实验结果已经通过粒子模拟使用现实的激光能量，相位分布和时间包络进行了验证，允许准确预测难以建模的参数，如电子束团的总电荷和空间特性，为更准确地建模等离子体加速器的设计开辟了道路。
2022-08-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-driven plasma waves in capillary tubes
等离子体波的激发超过了长达8厘米的长度，第一次，demonstrated使用激光引导的强激光脉冲通过充满氢气的玻璃毛细管。等离子体波诊断的光谱分析的透射激光辐射。光谱红移的依赖关系，测量作为填充压力，毛细管长度和入射激光能量的函数，是在很好的协议与模拟结果。从模拟中推断出的纵向加速场在1 - 10 GV/m的范围内。
2009-10-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Synchrotron radiation from a curved plasma channel laser wakefield accelerator
在弯曲的等离子体通道中引导的激光脉冲可以激发尾场，该尾场使电子沿着拱形轨迹转向。当电子沿着弯曲的通道加速时，它们发射出同步辐射。我们提出了简单的分析模型和模拟研究激光脉冲引导，尾场产生，电子转向，和同步辐射在弯曲的等离子体通道。对于实验上可实现的参数，~ 2GeV的电子每厘米发射0.1个光子，平均光子能量为多个keV。
2016-11-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
On cold diluted plasmas hit by short laser pulses
本文采用平面流体动力学模型，对超短强激光脉冲对稀释等离子体的冲击、等离子体波的形成、波的破碎、弹弓效应的发生等问题进行了简要的讨论。
2018-03-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-driven plasma acceleration in a regime of strong-mismatch between the incident laser envelope and the nonlinear plasma response
我们探索了一种激光驱动等离子体加速电子的机制，其中入射在等离子体入口处的激光脉冲的径向包络与由其激发的非线性等离子体电子响应强烈失配。2015年8月和2008年分别使用f/40和f/20聚焦光学器件对该机制进行了实验研究。激光等离子体加速器中实现的电子加速的物理机制和标度律已经在径向匹配的激光机制中进行了研究，因此在这里探索的强失配机制中是不准确的。在这项工作中，我们表明，一种新的调整a0模型适用于特定范围的密度，其中激光进入状态的强光学冲击，描述了失配制度。除了几个新的方面的激光等离子体相互作用动力学有关的拉长气泡的形状和相应的自注入机制，重要的是，我们发现，在这种强烈的失配制度时，激光脉冲转化为光学冲击，它是可能实现的光束能量，大大超过入射强度匹配制度的标度律。
2017-04-10 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
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
Demonstration of a tandem lens for producing shaped laser-ionized plasmas for plasma wakefield acceleration
本研究演示了由两个衍射光学元件构成的串联透镜装置，可聚焦高功率超快激光产生米级贝塞尔焦点，用于制备等离子体尾场加速的激光电离等离子体源，还介绍了透镜相位计算算法及性能预测。
2025-09-01 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-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
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
Strongly-Mismatched Regime of Nonlinear Laser-Plasma Acceleration: Optimization of Laser to Energetic Particle Efficiency
为优化激光到粒子的能量效率，建立了一个自导引非线性激光-等离子体加速的强失配区模型，并将其应用于最近提出的激光正电子加速器。与匹配条件相比，强失配是由于入射激光光斑的尺寸远大于等离子体泡中激光有质动力和电子-离子电荷分离力平衡所需的尺寸。这有利于优化大的自注入电子电荷和超低的横向发射度。突出的签名的失配制度，强烈的光冲击激发和气泡伸长，验证使用多维粒子在细胞模拟。因此，这项工作揭示了一个普遍的制度，已被许多激光等离子体加速实验所青睐，并开辟了一个新的途径，为广泛的未来应用。
2018-12-16 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Laser field absorption in self-generated electron-positron pair plasma
最近，对高功率激光器可达到的强度的限制问题引起了很多注意[A. M. Fedotov { \it et al.}物理修订版信函\textbf{105}，080402（2010）]。种子在强激光场作用下产生的电子-正电子对等离子体通过电磁级联吸收激光能量。建立了一个用于正负电子对等离子体动力学自洽研究的数值模型。研究了自生过密电子-正电子对等离子体对激光能量的强吸收。它表明，吸收变得重要的不是非常高的激光强度$I \sim 10^{24}$ W/cm $^2$在不久的将来实现。
2010-11-04 hep-ph physics.acc-ph physics.plasm-ph
Optical modelling of shaped laser pulses in plasma
Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, École polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（应用光学实验室，法国国家科学研究中心，巴黎综合理工学院，ENSTA巴黎国立高等先进技术学院，巴黎理工学院）
本文综述了建模超短强激光脉冲在等离子体中传播的数值方法，介绍了开源工具Axiprop的应用，展示了等离子体波导生成和相位锁定飞行焦点LPA的案例，揭示了影响能量沉积和脉冲传播的动力学效应。
2026-03-25 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.optics
A Review of Laser-Plasma Ion Acceleration
综述了激光等离子体加速离子的研究进展。总结了实验状态的艺术和最近的进展进行了讨论。简要回顾了基本的加速过程，展望了混合机制和新概念。最后，我们把重点放在工程目标的增强加速和全光学方法的光束后加速和控制的发展。
2017-12-18 physics.acc-ph physics.app-ph physics.med-ph
