High intensity, short pulse lasers can be used to accelerate electrons to ultra-relativistic energies via laser wakefield acceleration (LWFA) [T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979)]. Recently, it was shown that separating the injection and acceleration processes into two distinct stages could prove beneficial in obtaining stable, high energy electron beams [Gonsalves et al., Nat. Phys. 7, 862 (2011); Liu et al., Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011); Pollock et al., Phys. Rev. Lett. 107, 045001 (2011)]. Here, we use a stereolithography based 3D printer to produce two-stage gas targets for LWFA experiments on the HERCULES laser system at the University of Michigan. We demonstrate substantial improvements to the divergence, pointing stability, and energy spread of a laser wakefield accelerated electron beam compared with a single-stage gas cell or gas jet target.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
A. J.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
C.
Lin
,
D.
Panasenko
,
S.
Shiraishi
,
T.
Sokollik
,
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
C. G. R.
Geddes
,
J.
van Tilborg
,
J.
Osterhoff
,
E.
Esarey
,
C.
Toth
, and
W. P.
Leemans
,
Nat. Phys.
7
,
862
(
2011
).
3.
J. S.
Liu
,
C. Q.
Xia
,
W. T.
Wang
,
H. Y.
Lu
,
Ch.
Wang
,
A. H.
Deng
,
W. T.
Li
,
H.
Zhang
,
X. Y.
Liang
,
Y. X.
Leng
,
X. M.
Lu
,
C.
Wang
,
J. Z.
Wang
,
K.
Nakajima
,
R. X.
Li
, and
Z. Z.
Xu
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
035001
(
2011
).
4.
B. B.
Pollock
,
C. E.
Clayton
,
J. E.
Ralph
,
F.
Albert
,
A.
Davidson
,
L.
Divol
,
C.
Filip
,
S. H.
Glenzer
,
K.
Herpoldt
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
J.
Meinecke
,
W. B.
Mori
,
A.
Pak
,
T. C.
Rensink
,
J. S.
Ross
,
J.
Shaw
,
G. R.
Tynan
,
C.
Joshi
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
045001
(
2011
).
5.
S. P. D.
Mangles
,
C. D.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A. G. R.
Thomas
,
J. L.
Collier
,
A. E.
Dangor
,
E. J.
Divall
,
P. S.
Foster
,
J. G.
Gallacher
,
C. J.
Hooker
,
D. A.
Jaroszynski
,
A. J.
Langley
,
W. B.
Mori
,
P. A.
Norreys
,
F. S.
Tsung
,
R.
Viskup
,
B. R.
Walton
, and
K.
Krushelnick
,
Nature (London)
431
,
535
(
2004
).
6.
C. G. R.
Geddes
,
C.
Toth
,
J.
v. Tilborg
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
C.
Nieter
,
J.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Nature (London)
431
,
538
(
2004
).
7.
J.
Faure
,
Y.
Glinec
,
A.
Pukhov
,
S.
Kiselev
,
S.
Gordienko
,
E.
Lefebvre
,
J.-P.
Rousseau
,
F.
Burgy
, and
V.
Malka
,
Nature (London)
431
,
541
(
2004
).
8.
S.
Semushin
and
V.
Malka
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
2961
(
2001
).
9.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
Cs.
Tóth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
);
K.
Nakamura
,
B.
Nagler
,
Cs.
Tóth
,
C. G. R.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
W. P.
Leemans
,
A. J.
Gonsalves
, and
S. M.
Hooker
,
Phys. Plasmas
14
,
056708
(
2007
).
10.
D. J.
Spence
and
S. M.
Hooker
,
Phys. Rev. E
63
,
015401
R
(
2000
);
D. J.
Spence
,
A.
Butler
, and
S. M.
Hooker
,
J. Opt. Soc. Am. B
20
,
138
(
2003
);
S.
Karsch
,
J.
Osterhoff
,
A.
Popp
,
T. P.
Rowlands-Rees
,
Zs.
Major
,
M.
Fuchs
,
B.
Marx
,
R.
Hörlein
,
K.
Schmid
,
L.
Veisz
,
S.
Becker
,
U.
Schramm
,
B.
Hidding
,
G.
Pretzler
,
D.
Habs
,
F.
Grüner
,
F.
Krausz
, and
S. M.
Hooker
,
New J. Phys.
9
,
415
(
2007
).
11.
J.
Osterhoff
,
A.
Popp
,
Zs.
Major
,
B.
Marx
,
T. P.
Rowlands-Rees
,
M.
Fuchs
,
M.
Geissler
,
R.
Hrlein
,
B.
Hidding
,
S.
Becker
,
E. A.
Peralta
,
U.
Schramm
,
F.
Grüner
,
D.
Habs
,
F.
Krausz
,
S. M.
Hooker
, and
S.
Karsch
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
085002
(
2008
).
12.
D. H.
Froula
,
C. E.
Clayton
,
T.
Dppner
,
K. A.
Marsh
,
C. P. J.
Barty
,
L.
Divol
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
S. F.
Martins
,
P.
Michel
,
W. B.
Mori
,
J. P.
Palastro
,
B. B.
Pollock
,
A.
Pak
,
J. E.
Ralph
,
J. S.
Ross
,
C. W.
Siders
,
L. O.
Silva
, and
T.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
215006
(
2009
);
[PubMed]
S. P. D.
Mangles
,
G.
Genoud
,
M. S.
Bloom
,
M.
Burza
,
Z.
Najmudin
,
A.
Persson
,
K.
Svensson
,
A. G. R.
Thomas
, and
C.-G.
Wahlstrm
,
Phys. Rev. ST-Accel. Beams
15
,
011302
(
2012
).
13.
A.
Pak
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025003
(
2010
).
14.
C.
McGuffey
,
A. G. R.
Thomas
,
W.
Schumaker
,
T.
Matsuoka
,
V.
Chvykov
,
F. J.
Dollar
,
G.
Kalintchenko
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
,
K.
Krushelnick
,
V.
Yu. Bychenkov
,
I. V.
Glazyrin
, and
A. V.
Karpeev
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025004
(
2010
).
15.
J.
Faure
,
C.
Rechatin
,
A.
Norlin
,
A.
Lifschitz
,
Y.
Glinec
, and
V.
Malka
,
Nature
444
,
737
739
(
2006
);
[PubMed]
A. G. R.
Thomas
,
C. D.
Murphy
,
S. P. D.
Mangles
,
A. E.
Dangor
,
P.
Foster
,
J. G.
Gallacher
,
D. A.
Jaroszynski
,
C.
Kamperidis
,
K. L.
Lancaster
,
P. A.
Norreys
,
R.
Viskup
,
K.
Krushelnick
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
255002
(
2008
);
[PubMed]
H.
Kotaki
,
I.
Daito
,
M.
Kando
,
Y.
Hayashi
,
K.
Kawase
,
T.
Kameshima
,
Y.
Fukuda
,
T.
Homma
,
J.
Ma
,
L.-M.
Chen
,
T. Zh.
Esirkepov
,
A. S.
Pirozhkov
,
J. K.
Koga
,
A.
Faenov
,
T.
Pikuz
,
H.
Kiriyama
,
H.
Okada
,
T.
Shimomura
,
Y.
Nakai
,
M.
Tanoue
,
H.
Sasao
,
D.
Wakai
,
H.
Matsuura
,
S.
Kondo
,
S.
Kanazawa
,
A.
Sugiyama
,
H.
Daido
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
194803
(
2009
).
[PubMed]
16.
H.
Suk
,
N.
Barov
,
J. B.
Rosenzweig
, and
E.
Esarey
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
6
,
1011
(
2001
);
[PubMed]
S.
Kalmykov
,
S. A.
Yi
,
V.
Khudik
, and
G.
Shvets
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
135004
(
2009
);
[PubMed]
C. G. R.
Geddes
,
K.
Nakamura
,
G. R.
Plateau
,
Cs.
Toth
,
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
J. R.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
215004
(
2008
);
[PubMed]
A.
Buck
,
J.
Wenz
,
J.
Xu
,
K.
Khrennikov
,
K.
Schmid
,
M.
Heigoldt
,
J. M.
Mikhailova
,
M.
Geissler
,
B.
Shen
,
F.
Krausz
,
S.
Karsch
, and
L.
Veisz
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
185006
(
2013
).
[PubMed]
17.
S. W.
Jolly
,
Z.
He
,
C.
McGuffey
,
W.
Schumaker
,
K.
Krushelnick
, and
A. G. R.
Thomas
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
073503
(
2012
).
18.
S. Y.
Kalmykov
,
A.
Beck
,
X.
Davoine
,
E.
Lefebvre
, and
B. A.
Shadwick
,
New J. Phys.
14
,
033025
(
2012
).
19.
M.
Tzoufras
,
W.
Lu
,
F. S.
Tsung
,
C.
Huang
,
W. B.
Mori
,
T.
Katsouleas
,
J.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
145002
(
2008
).
20.
P. A.
Walker
,
N.
Bourgeois
,
W.
Rittershofer
,
J.
Cowley
,
N.
Kajumba
,
A. R.
Maier
,
J.
Wenz
,
C. M.
Werle
,
S.
Karsch
,
F.
Grner
,
D. R.
Symes
,
P. P.
Rajeev
,
S. J.
Hawkes
,
O.
Chekhlov
,
C. J.
Hooker
,
B.
Parry
,
Y.
Tang
, and
S. M.
Hooker
,
New J. Phys.
15
,
045024
(
2013
).
21.
A.
Rousse
,
K. T.
Phuoc
,
R.
Shah
,
A.
Pukhov
,
E.
Lefebvre
,
V.
Malka
,
S.
Kiselev
,
F.
Burgy
,
J.-P.
Rousseau
,
D.
Umstadter
, and
D.
e. Hulin
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
135005
(
2004
);
[PubMed]
S.
Kneip
,
C.
McGuffey
,
J. L.
Martins
,
S. F.
Martins
,
C.
Bellei
,
V.
Chvykov
,
F.
Dollar
,
R.
Fonseca
,
C.
Huntington
,
G.
Kalintchenko
,
A.
Maksimchuk
,
S. P. D.
Mangles
,
T.
Matsuoka
,
S. R.
Nagel
,
C. A. J.
Palmer
,
J.
Schreiber
,
K.
Ta Phuoc
,
A. G. R.
Thomas
,
V.
Yanovsky
,
L. O.
Silva
,
K.
Krushelnick
and
Z.
Najmudin
,
Nat. Phys.
6
,
980
(
2010
).
22.
See comsol.com for information about the COMSOL CFD code.
You do not currently have access to this content.