A parameter study for laser wakefield acceleration is presented, in which externally injected electrons are accelerated in low amplitude plasma waves, represented by an analytical two-dimensional description. Results have been obtained for plasma densities up to 2.6×1024m3, plasma lengths up to 300mm, laser intensities up to 3.5×1021Wm2, and injection of Gaussian model bunches at energies up to 12MeV. For the range of parameters studied, effects of laser depletion and the influence of the electron bunch on the plasma can be ignored. In the parameter space, a region is identified where final energies of over 100MeV are reached, at an energy spread of less than 5% and a rms emittance of a few micrometers.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
S. P. D.
Mangles
,
C.
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)
43
,
535
(
2004
).
3.
C. G. R.
Geddes
,
C.
Toth
,
J.
van Tilborg
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
C.
Nieter
,
J.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Nature (London)
43
,
538
(
2004
).
4.
J.
Faure
,
Y.
Glinec
,
A.
Pukhov
,
S.
Kiselev
,
S.
Gordienko
,
E.
Lefebvre
,
J.-P.
Rousseau
,
F.
Burgy
, and
V.
Malka
,
Nature (London)
43
,
541
(
2004
).
5.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
C.
Toth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esaray
,
C. B.
Schroeder
, and
C. J.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
).
6.
A. G.
Khachatryan
,
F. A.
van Goor
,
K.-J.
Boller
,
A. J. W.
Reitsma
, and
D. A.
Jaroszynski
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
7
,
121301
(
2004
).
7.
W. H.
Urbanus
,
W.
van Dijk
,
S. B.
van der Geer
,
G. J. H.
Brussaard
, and
M. J.
van der Wiel
,
J. Appl. Phys.
99
,
114501
(
2006
).
8.
J.
van Tilborg
,
C. B.
Schroeder
,
C. V.
Filip
,
C.
Tóth
,
C. G. R.
Geddes
,
G.
Fubiani
,
R.
Huber
,
R. A.
Kaindl
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
014801
(
2006
).
9.
W. P.
Leemans
,
C. G. R.
Geddes
,
J.
Faure
,
C.
Tóth
,
J.
van Tilborg
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
G.
Fubiani
,
D.
Auerbach
,
B.
Marcelis
,
M. A.
Carnahan
,
R. A.
Kaindl
,
J.
Byrd
, and
M. C.
Martin
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
074802
(
2003
).
10.
F.
Grüner
,
S.
Becker
,
U.
Schramm
,
T.
Eichner
,
M.
Fuchs
,
R.
Weingartner
,
D.
Habs
,
J. M.
ter Vehn
,
M.
Geissler
,
M.
Ferrario
,
L.
Serafini
,
B.
van der Geer
,
H.
Backe
,
W.
Lauth
, and
S.
Reiche
,
Appl. Phys. B: Lasers Opt.
86
,
431
(
2007
).
11.
D. F.
Gordon
,
R. F.
Hubbard
,
J. H.
Cooley
,
B.
Hafizi
,
A.
Ting
, and
P.
Sprangle
,
Phys. Rev. E
71
,
026404
(
2005
).
12.
A. F.
Lifschitz
,
J.
Faure
,
V.
Malka
, and
P.
Mora
,
Phys. Plasmas
12
,
093104
(
2005
).
13.
B.
van der Geer
and
M.
de Loos
, Ph.D. thesis,
Eindhoven University of Technology
,
2001
.
14.
15.
R. G.
Hemker
,
F. S.
Tsung
,
V. K.
Decyk
,
W. B.
Mori
,
S.
Lee
, and
T.
Katsouleas
, in
Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference
, edited by
A.
Luccio
and
W.
MacKay
(
IEEE
,
Piscataway
,
1999
) Vol.
5
, p.
3672
.
16.
C.
Nieter
and
J. R.
Cary
,
J. Comput. Phys.
196
,
448473
(
2004
).
17.
P.
Volfbeyn
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
6
,
2269
(
1999
).
18.
P.
Sprangle
,
E.
Esarey
,
A.
Ting
, and
G.
Joyce
,
AIP Conf. Proc.
193
,
376
(
1989
).
19.
F.
Dorchies
,
J. R.
Marquès
,
B.
Cros
,
G.
Matthieussent
,
C.
Courtois
,
T.
Vélikoroussov
,
P.
Audebert
,
J. P.
Geindre
,
S.
Rebibo
,
G.
Hamoniaux
, and
F.
Amiranoff
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4655
(
1999
).
20.
V. V.
Ivanov
,
P. S.
Antsiferov
,
K. N.
Koshelev
,
M. R.
Akdim
, and
F.
Bijkerk
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
205007
(
2006
).
21.
N. A.
Bobrova
,
A. A.
Esaulov
,
J. I.
Sakai
,
P. V.
Sasorov
,
D. J.
Spence
,
A.
Butler
,
S. M.
Hooker
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. E
65
,
016407
(
2002
).
22.
M. J.
de Loos
,
S. B.
van der Geer
,
Y. M.
Saveliev
,
V. M.
Pavlov
,
A. J. W.
Reitsma
,
S. M.
Wiggins
,
J.
Rodier
,
T.
Garvey
, and
D. A.
Jaroszynski
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
9
,
084201
(
2006
).
23.
S. B.
van der Geer
,
M. J.
de Loos
,
T.
van Oudheusden
,
W. P. E. M.
op ’t Root
,
M. J.
van der Wiel
, and
O. J.
Luiten
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
9
,
044203
(
2006
).
24.
A.
Khachatryan
,
M.
Luttikhof
,
A.
Irman
,
F.
van Goor
,
J.
Verschuur
,
H.
Bastiaens
, and
K.-J.
Boller
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
566
,
244
(
2006
).
25.
F. B.
Kiewiet
,
A. H.
Kemper
,
O. J.
Luiten
,
G. J. H.
Brussaard
, and
M. J.
van der Wiel
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
484
,
619
(
2002
).
26.
R.
Hubbard
,
D.
Gordon
,
J.
Cooley
,
B.
Hafizi
,
T.
Jones
,
D.
Kaganovich
,
P.
Sprangle
,
A.
Ting
,
A.
Zigler
, and
J.
Dexter
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
33
,
712
(
2005
).
27.
W.
Kimura
, in
IEEE Conference Record—Abstracts. The 31st IEEE International Conference on Plasma Science ICOPS 2004
(
IEEE
,
New York
,
2004
), p.
158
.
28.
J. R.
Marquès
,
J. P.
Geindre
,
F.
Amiranoff
,
P.
Audebert
,
J. C.
Gauthier
,
A.
Antonetti
, and
G.
Grillon
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3566
(
1996
).
29.
K.
Nakajima
,
Phys. Plasmas
3
,
2169
(
1996
).
30.
H.
Dewa
,
H.
Ahn
,
H.
Harano
,
M.
Kando
,
K.
Kinoshita
,
S.
Kondoh
,
H.
Kotaki
,
K.
Nakajima
,
H.
Nakanishi
,
A.
Ogata
,
H.
Sakai
,
M.
Uesaka
,
T.
Ueda
,
T.
Watanabe
, and
K.
Yoshii
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
410
,
357
(
1998
).
31.

The 3-D model is not yet published. It is an extension of the 2-D code described in Ref. 35.

32.
R.
Hubbard
,
P.
Sprangle
, and
B.
Hafizi
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
28
,
1159
(
2000
).
33.
T.
Esirkepov
,
S.
Bulanov
,
M.
Yamagiwa
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
014803
(
2006
).
34.
R. F.
Hubbard
,
D.
Kaganovich
,
B.
Hafizi
,
C. I.
Moore
,
P.
Sprangle
,
A.
Ting
, and
A.
Zigler
,
Phys. Rev. E
63
,
036502
(
2001
).
35.
A. J. W.
Reitsma
,
V. V.
Goloviznin
,
L. P. J.
Kamp
, and
T. J.
Schep
,
Phys. Rev. E
63
,
046502
(
2001
).
You do not currently have access to this content.