In laser wakefield acceleration, the pulse-length of the laser is an important parameter that affects the laser evolution and electron beam injection and acceleration in the bubble regime. Here, we use three-dimensional simulations to find, for a given plasma density, the optimal pulse-length that gives the best quality electron beam. For three different pulse lengths, we study the evolution dynamics of the laser spot-size and quality of the injected electron beam. We find that a pulse-length that is less than the theoretical optimum, τL = λp/√2πc, derived from linear theory, gives the best beam quality. Conversely, our simulations suggest that for a given laser system, with a fixed pulse-length, there is an optimal value of the plasma density that will give the best quality accelerated beams in experiments. For an rms pulse-length of 10 fs (around 24 fs FWHM), this corresponds to a plasma density of around 3.4 × 1018/cm3. For these parameters, we obtain, in a homogenous plasma and with a single laser, an electron beam with an energy of around 700 MeV, an energy-spread less than 2%, and rms normalized emittance of a few π mm-mrad.

1.
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
).
2.
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)
431
,
538
(
2004
).
3.
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
).
4.
N. A. M.
Hafz
,
T. M.
Jeong
,
Il W.
Choi
,
S. K.
Lee
,
K. H.
Pae
,
V. V.
Kulagin
,
J. H.
Sung
,
T. J.
Yu
,
K.-H.
Hong
, and
T.
Hosokai
,
Nature Photon.
2
,
571
(
2008
).
5.
S.
Kneip
,
S. R.
Nagel
,
S. F.
Martins
,
S. P. D.
Mangles
,
C.
Bellei
,
O.
Chekhlov
,
R. J.
Clarke
,
N.
Delerue
,
E. J.
Divall
,
G.
Doucas
,
K.
Ertel
,
F.
Fiuza
,
R.
Fonseca
,
P.
Foster
,
S. J.
Hawkes
,
C. J.
Hooker
,
K.
Krushelnick
,
W. B.
Mori
,
C. A. J.
Palmer
,
K.
Ta Phuoc
,
P. P.
Rajeev
,
J.
Schreiber
,
M. J. V.
Streeter
,
D.
Urner
,
J.
Vieira
,
L. O.
Silva
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
035002
(
2009
).
6.
J.
Osterhoff
,
A.
Popp
,
Zs.
Major
,
B.
Marx
,
T. P.
Rowlands-Rees
,
M.
Fuchs
,
M.
Geissler
,
R.
Horlein
,
B.
Hidding
,
S.
Becker
,
E. A.
Peralta
,
U.
Schramm
,
F.
Gruner
,
D.
Habs
,
F.
Krausz
,
S. M.
Hooker
, and
S.
Karsch
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
085002
(
2008
).
7.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
C.
Toth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nature Phys.
2
,
696
(
2006
).
8.
C. E.
Clayton
,
J. E.
Ralph
,
F.
Albert
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W. B.
Mori
,
A.
Pak
,
F. S.
Tsung
,
B. B.
Pollock
,
J. S.
Ross
,
L. O.
Silva
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
105003
(
2010
).
9.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
10.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
11.
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev.
113
,
383
(
1959
).
12.
A. I.
Akhiezer
and
R. V.
Polovin
,
Zh. Eksp. Tero. Fiz.
3
,
915
(
1956
)
A. I.
Akhiezer
and
R. V.
Polovin
,
Sov. Phys. JETP
3
,
696
(
1956
).
13.
V. I.
Berezhiani
and
I. G.
Murusidze
,
Phys. Lett. A
148
,
338
(
1990
).
14.
E.
Esarey
and
M.
Pilloff
,
Phys. Plasmas
2
,
1432
(
1995
).
15.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Appl. Phys. B: Laser Opt.
74
,
355
(
2002
).
I.
Kostyukov
,
A.
Pukoh
, and
S.
Kiselev
,
Phys. Plasmas
11
,
5256
(
2004
);
S.
Gordienko
and
A.
Pukhov
,
Phys. Plasmas
12
,
043109
(
2005
).
16.
F. S.
Tsung
,
R.
Narang
,
W. B.
Mori
,
C.
Joshi
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
185002
(
2004
).
17.
G. Z.
Sun
,
E.
Ott
,
Y. C.
Lee
, and
P.
Guzdar
,
Phys. Fluids
30
,
526
(
1987
).
18.
P.
Mora
and
T. M.
Antonsen
, Jr.
,
Phys. Rev. E
53
,
R2068
(
1996
).
19.
T.
Katsouleas
,
Nature (London)
431
,
515
(
2004
).
20.
S. Y.
Kalmykov
,
S. A.
Reed
,
S. A.
Yi
,
A.
Beck
,
A. F.
Lifchitz
,
X.
Davoine
,
E.
Lefebvre
,
V.
Khudik
,
G.
Shvets
,
P.
Dong
,
X.
Wang
,
D.
Du
,
S.
Bedacht
,
Y.
Zhao
,
W.
Henderson
,
A.
Bernstein
,
G.
Dyer
,
M.
Martinez
,
E.
Gaul
,
T.
Ditmire
, and
M. C.
Downer
,
High Energy Density Phys.
6
,
200
(
2010
).
21.
A.
Oguchi
,
A.
Zhidkov
,
K.
Takano
,
E.
Hotta
,
K.
Nemoto
, and
K.
Nakajima
,
Phys. Plasmas
15
,
043102
(
2008
).
22.
W.
Lu
,
M.
Tzoufras
,
C.
Joshi
,
F. S.
Tsung
,
W. B.
Mori
,
J. M.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
10
,
061301
(
2007
).
23.
A. G. R.
Thomas
,
Z.
Najmudin
,
S. P. D.
Mangles
,
C. D.
Murphy
,
A. E.
Dangor
,
C.
Kamperidis
,
K. L.
Lancaster
,
W. B.
Mori
,
P. A.
Norreys
,
W.
Rozums
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
095004
(
2007
).
24.
P.
Sprangle
,
E.
Esarey
, and
A.
Ting
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
2011
1990
;
[PubMed]
P.
Sprangle
,
E.
Esarey
, and
A.
Ting
,
Phys. Rev. A
41
,
4463
(
1990
).
[PubMed]
25.
S. A.
Samant
,
D.
Sarkar
,
A. K.
Upadhyay
,
S.
Krishnagopal
, and
P.
Jha
,
Phys. Plasmas
17
,
103110
(
2010
).
26.
A. K.
Upadhyay
,
S. A.
Samant
,
D.
Sarkar
,
P.
Jha
, and
S.
Krishnagopal
,
Phys. Plasmas
18
,
033109
(
2011
).
27.
C.
Nieter
and
J. R.
Cary
,
J. Comput. Phys.
196
,
448
(
2004
).
28.
L. M.
Gorbunov
and
V. I.
Kirsanov
,
Sov. Phys. JETP
66
,
290
(
1987
).
29.
L. M.
Gorbunov
,
S. Yu.
Kalmykov
, and
P.
Mora
,
Phys. Plasmas
12
,
033101
(
2005
).
30.
B. A.
Shadwick
,
C. B.
Schroeder
, and
E.
Esarey
,
Phys. Plasmas
16
,
056704
(
2009
).
31.
C.
Ren
,
B. J.
Duda
,
R. G.
Hemker
,
W. B.
Mori
,
T.
Katsouleas
,
T. M.
Antonsen
, Jr.
, and
P.
Mora
,
Phys. Rev. E
63
,
026411
(
2001
).
32.
A. K.
Upadhyay
,
V.
Singh
, and
P.
Jha
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
51
,
105011
(
2009
).
33.
S. Yu.
Kalmykov
,
A.
Beck
,
S. A.
Yi
,
V. N.
Khudik
,
M. C.
Downer
,
E.
Lefebvre
,
B. A.
Shadwick
, and
D. P.
Umstadter
,
Phys. Plasmas
18
,
056704
(
2011
).
34.
S. Yu.
Kalmykov
,
S. A.
Yi
,
V.
Khudik
, and
G.
Shvets
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
135004
(
2009
).
You do not currently have access to this content.