The acceleration of electron beams with multiple transverse structures in wakefields driven by Laguerre-Gaussian pulses has been studied through three-dimensional (3D) particle-in-cell simulations. Under different laser-plasma conditions, the wakefield shows different transverse structures. In general cases, the wakefield shows a donut-like structure and it accelerates the ring-shaped hollow electron beam. When a lower plasma density or a smaller laser spot size is used, besides the donut-like wakefield, a central bell-like wakefield can also be excited. The wake sets in the center of the donut-like wake. In this case, both a central on-axis electron beam and a ring-shaped electron beam are simultaneously accelerated. Further, reducing the plasma density or laser spot size leads to an on-axis electron beam acceleration only. The research is beneficial for some potential applications requiring special pulse beam structures, such as positron acceleration and collimation.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
3.
S.
Corde
,
K.
Ta Phuoc
,
G.
Lambert
,
R.
Fitour
,
V.
Malka
,
A.
Rousse
,
A.
Beck
, and
E.
Lefebvr
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1
(
2013
);
M.
Chen
,
J.
Luo
,
F. Y.
Li
,
F.
Liu
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Light: Sci. Appl.
5
,
e16015
(
2016
).
[PubMed]
4.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-vehn
,
Appl. Phys. B
74
,
355
361
(
2002
).
5.
M. Z.
Mo
,
A.
Ali
,
S.
Fourmaux
,
P.
Lassonde
,
J. C.
Kieffer
, and
R.
Fedosejevs
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
134102
(
2013
).
6.
M.
Chen
,
Z. M.
Sheng
,
Y. Y.
Ma
, and
J.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
99
,
056109
(
2006
);
M.
Chen
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
C. G. R.
Geddes
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
19
,
033101
(
2012
).
7.
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
866
(
2011
).
8.
Y. Y.
Ma
,
S.
Kawata
,
T. P.
Yu
,
Y. Q.
Gu
,
Z. M.
Sheng
,
M. Y.
Yu
,
H. B.
Zhuo
,
H. J.
Liu
,
Y.
Yin
,
K.
Takahashi
,
X. Y.
Xie
,
J. X.
Liu
,
C. L.
Tian
, and
F. Q.
Shao
,
Phys. Rev. E
85
,
046403
(
2012
).
9.
W. P.
Leemans
,
A. J.
Gonsalves
,
H. S.
Mao
,
K.
Nakamura
,
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
Cs.
Tóth
,
J.
Daniels
,
D. E.
Mittelberger
,
S. S.
Bulanov
,
J. L.
Vay
,
C. G. R.
Geddes
, and
E.
Esarey
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
245002
(
2014
).
10.
X.
Davoine
,
E.
Lefebvre
,
C.
Rechatin
,
J.
Faure
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
065001
(
2009
).
11.
A. J.
Goers
,
S. J.
Yoon
,
J. A.
Elle
,
G. A.
Hine
, and
H. M.
Milchberg
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
214105
(
2014
).
12.
L. L.
Yu
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
J. L.
Vay
,
C.
Benedetti
,
C. G. R.
Geddes
,
M.
Chen
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
125001
(
2014
).
13.
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
).
14.
M.
Zeng
,
M.
Chen
,
L. L.
Yu
,
W. B.
Mori
,
Z. M.
Sheng
,
B.
Hidding
,
D. A.
Jaroszynski
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
084801
(
2015
).
15.
O.
Lundh
,
J.
Lim
,
C.
Rechatin
,
L.
Ammoura
,
A.
Ben-Ismaïl
,
X.
Davoine
,
G.
Gallot
,
J. P.
Goddet
,
E.
Lefebvre
,
V.
Malka
, and
J.
Faure
,
Nat. Phys.
7
,
219
(
2011
).
16.
F. V.
Hartemann
,
D. J.
Gibson
,
W. J.
Brown
,
A.
Rousse
,
K.
Ta Phuoc
,
V.
Malka
,
J.
Faure
, and
A.
Pukhov
,
Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
10
,
011301
(
2007
).
17.
J. M.
Cole
,
J. C.
Wood
,
N. C.
Lopes
,
K.
Poder
,
R. L.
Abel
,
S.
Alatabi
,
J. S. J.
Bryant
,
A.
Jin
,
S.
Kneip
,
K.
Mecseki
,
D. R.
Symes
,
S. P. D.
Mangles
, and
Z.
Najmudin
,
Sci. Rep.
5
,
13244
(
2015
);
[PubMed]
T. P.
Yu
,
A.
Pukhov
,
Z. M.
Sheng
,
F.
Liu
, and
G.
Shvets
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
045001
(
2013
).
[PubMed]
18.
B. E.
Blue
,
C. E.
Clayton
,
C. L.
O'Connell
,
F. J.
Decker
,
M. J.
Hogan
,
C.
Huang
,
R.
Iverson
,
C.
Joshi
,
T. C.
Katsouleas
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
,
P.
Muggli
,
R.
Siemann
, and
D.
Walz
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
214801
(
2003
).
19.
H. C.
Wu
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
J.
Fernández
, and
B. M.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
234801
(
2010
).
20.
N.
Jain
,
T. M.
Antonsen
, and
J. P.
Palastro
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
195001
(
2015
).
21.
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
K.
Paul
,
P. J.
Mullowney
,
J. R.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
14
,
031303
(
2011
);
L. L.
Yu
,
C. B.
Schroeder
,
F. Y.
Li
,
C.
Benedetti
,
M.
Chen
,
S. M.
Weng
,
Z. M.
Sheng
, and
E.
Esarey
,
Phys. Plasmas
21
,
120702
(
2014
).
22.
J. C.
Xu
,
B. F.
Shen
,
X. M.
Zhang
,
M.
Wen
,
L. L.
Ji
,
W. P.
Wang
,
Y. H.
Yu
, and
K.
Nakajima
,
New J. Phys.
12
,
023037
(
2010
).
23.
J.
Vieira
and
J. T.
Mendonça
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
215001
(
2014
).
24.
G. B.
Zhang
,
M.
Chen
,
C. B.
Schroeder
,
J.
Luo
,
M.
Zeng
,
F. Y.
Li
,
L. L.
Yu
,
S. M.
Weng
,
Y. Y.
Ma
,
T. P.
Yu
,
Z. M.
Sheng
, and
E.
Esarey
, “Acceleration and evolution of a hollow electron beam in wakefields driven by a Laguerre-Gaussian laser pulse,”
Phys. Plasmas.
(submitted).
25.
Y.
Shi
,
B. F.
Shen
,
L. G.
Zhang
,
X. M.
Zhang
,
W. P.
Wang
, and
Z. Z.
Xu
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
235001
(
2014
).
26.
L.
Allen
,
M.
Beijersbergen
,
R.
Spreeuw
, and
J.
Woerdman
,
Phys. Rev. A
45
,
8185
8189
(
1992
).
27.
X. M.
Zhang
,
B. F.
Shen
,
Y.
Shi
,
X. F.
Wang
,
L. G.
Zhang
,
W. P.
Wang
,
J. C.
Xu
,
L. Q.
Yi
, and
Z. Z.
Xu
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
173901
(
2015
).
28.
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
F. S.
Tsung
,
V. K.
Decyk
,
W.
Lu
,
C.
Ren
,
W. B.
Mori
,
S.
Deng
,
S.
Lee
,
T.
Katsouleas
, and
J. C.
Adam
,
Lect. Notes Comput. Sci.
2331
,
342
(
2002
).
29.
A.
Pukhov
,
O.
Jansen
,
T.
Tueckmantel
,
J.
Thomas
, and
I. Yu.
Kostyukov
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
245003
(
2014
).
30.
G. V.
Sotnikov
,
T. C.
Marshall
, and
J. L.
Hirshfield
,
Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
12
,
061302
(
2009
).
You do not currently have access to this content.