The wakefield generated in a plasma by incoherently combining a large number of low energy laser pulses (i.e., without constraining the pulse phases) is studied analytically and by means of fully self-consistent particle-in-cell simulations. The structure of the wakefield has been characterized and its amplitude compared with the amplitude of the wake generated by a single (coherent) laser pulse. We show that, in spite of the incoherent nature of the wakefield within the volume occupied by the laser pulses, behind this region, the structure of the wakefield can be regular with an amplitude comparable or equal to that obtained from a single pulse with the same energy. Wake generation requires that the incoherent structures in the laser energy density produced by the combined pulses exist on a time scale short compared to the plasma period. Incoherent combination of multiple laser pulses may enable a technologically simpler path to high-repetition rate, high-average power laser-plasma accelerators, and associated applications.

1.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
2.
S. M.
Hooker
,
Nature Photon.
7
,
775
(
2013
).
3.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
C.
Tóth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
).
4.
X.
Wang
,
R.
Zgadzaj
,
N.
Fazel
,
Z.
Li
,
S. A.
Yi
,
X.
Zhang
,
W.
Henderson
,
Y.-Y.
Chang
,
R.
Korzekwa
,
H.-E.
Tsai
,
C.-H.
Pai
,
H.
Quevedo
,
G.
Dyer
,
E.
Gaul
,
M.
Martinez
,
A. C.
Bernstein
,
T.
Borger
,
M.
Spinks
,
M.
Donovan
,
V.
Khudik
,
G.
Shvets
,
T.
Ditmire
, and
M. C.
Downer
,
Nat. Commun.
4
,
1988
(
2013
).
5.
E.
Esarey
,
R. F.
Hubbard
,
W. P.
Leemans
,
A.
Ting
, and
P.
Sprangle
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2682
(
1997
).
6.
J.
Faure
,
C.
Rechatin
,
A.
Norlin
,
A.
Lifschitz
,
Y.
Glinec
, and
V.
Malka
,
Nature
444
,
737
(
2006
).
7.
S.
Bulanov
,
N.
Naumova
,
F.
Pegoraro
, and
J.
Sakai
,
Phys. Rev. E
58
,
R5257
(
1998
).
8.
C. G. R.
Geddes
,
K.
Nakamura
,
G. R.
Plateau
,
Cs.
Tóth
,
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
J. R.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
215004
(
2008
).
9.
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
,
Cs.
Tóth
, and
W. P.
Leemans
,
Nat. Phys.
7
,
862
(
2011
).
10.
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
222
(
2011
).
11.
G. R.
Plateau
,
C. G. R.
Geddes
,
D. B.
Thorn
,
M.
Chen
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
A. J.
Gonsalves
,
N. H.
Matlis
,
K.
Nakamura
,
C. B.
Schroeder
,
S.
Shiraishi
,
T.
Sokollik
,
J.
van Tilborg
,
Cs.
Tóth
,
S.
Trotsenko
,
T. S.
Kim
,
M.
Battaglia
,
Th.
Stöhlker
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
064802
(
2012
).
12.
C.
Lin
,
J.
van Tilborg
,
K.
Nakamura
,
A. J.
Gonsalves
,
N. H.
Matlis
,
T.
Sokollik
,
S.
Shiraishi
,
J.
Osterhoff
,
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
Cs.
Tóth
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
094801
(
2012
).
13.
A.
Buck
,
M.
Nicolai
,
K.
Schmid
,
C. M. S.
Sears
,
A.
Sävert
,
J. M.
Mikhailova
,
F.
Krausz
,
M. C.
Kaluza
, and
L.
Veisz
,
Nat. Phys.
7
,
543
(
2011
).
14.
W. P.
Leemans
,
C. G. R.
Geddes
,
J.
Faure
,
Cs.
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
).
15.
A.
Rousse
,
K. T.
Phuoc
,
R.
Shah
,
A.
Pukhov
,
E.
Lefebvre
,
V.
Malka
,
S.
Kiselev
,
F.
Burgy
,
J.-P.
Rousseau
,
D.
Umstadter
, and
D.
Hulin
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
135005
(
2004
).
16.
M.
Fuchs
,
R.
Weingartner
,
A.
Popp
,
Z.
Major
,
S.
Becker
,
J.
Osterhoff
,
I.
Cortrie
,
B.
Zeitler
,
R.
Hörlei
,
G. D.
Tsakiris
,
U.
Schramm
,
T. P.
Rowlands-Rees
,
S. M.
Hooker
,
D.
Habs
,
F.
Krausz
,
S.
Karsch
, and
F.
Grüner
,
Nat. Phys.
5
,
826
(
2009
).
17.
A. R.
Maier
,
A.
Meseck
,
S.
Reiche
,
C. B.
Schroeder
,
T.
Seggebrock
, and
F.
Grüner
,
Phys. Rev. X
2
,
031019
(
2012
).
18.
Z.
Huang
,
Y.
Ding
, and
C. B.
Schroeder
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
204801
(
2012
).
19.
W. P.
Leemans
and
E.
Esarey
,
Phys. Today
62
(3),
44
(
2009
).
20.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C.
Benedetti
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
13
,
101301
(
2010
).
21.
K.
Nakajima
,
A.
Deng
,
X.
Zhang
,
B.
Shen
,
J.
Liu
,
R.
Li
,
Z.
Xu
,
T.
Ostermayr
,
S.
Petrovics
,
C.
Klier
,
K.
Iqbal
,
H.
Ruhl
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
14
,
091301
(
2011
).
22.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
15
,
051301
(
2012
).
23.
W. P.
Leemans
,
J.
Daniels
,
A.
Deshmukh
,
A. J.
Gonsalves
,
A.
Magana
,
H. S.
Mao
,
D. E.
Mittelberger
,
K.
Nakamura
,
J. R.
Riley
,
D.
Syversrud
,
C.
Toth
, and
N.
Ybarrolaza
, in
Proceedings of PAC 2013
(JaCoW,
2013
), p.
THYAA1
.
24.
See http://www.acceleratorsamerica.org/report/ for applications of laser technology to accelerators.
25.
J. W.
Dawson
,
J. K.
Crane
,
M. J.
Messerly
,
M. A.
Prantil
,
P. H.
Pax
,
A. K.
Sridharan
,
G. S.
Allen
,
D. R.
Drachenberg
,
H. H.
Phan
,
J. E.
Heebner
,
C. A.
Ebbers
,
R. J.
Beach
,
E. P.
Hartouni
,
C. W.
Siders
,
T. M.
Spinka
,
C. P. J.
Barty
,
A. J.
Bayramian
,
L. C.
Haefner
,
F.
Albert
,
W. H.
Lowdermilk
,
A. M.
Rubenchik
, and
R. E.
Bonanno
,
AIP Conf. Proc.
1507
,
147
(
2012
).
26.
G.
Mourou
,
B.
Brocklesby
,
T.
Tajima
, and
J.
Limpert
,
Nature Photon.
7
,
258
(
2013
).
27.
G. A.
Mourou
,
D.
Hulin
, and
A.
Galvanauskas
,
AIP Conf. Proc.
827
,
152
(
2006
).
28.
J.
Bourderionnet
,
C.
Bellanger
,
J.
Primot
, and
A.
Brignon
,
Opt. Express
19
,
17053
(
2011
).
29.
L.
Daniault
,
M.
Hanna
,
D. N.
Papadopoulos
,
Y.
Zaouter
,
E.
Mottay
,
F.
Druon
, and
P.
Georges
,
Opt. Lett.
36
,
4023
(
2011
).
30.
A.
Klenke
,
E.
Seise
,
S.
Demmler
,
J.
Rothhardt
,
S.
Breitkopf
,
J.
Limpert
, and
A.
Tünnermann
,
Opt. Express
19
,
24280
(
2011
).
31.
T. Y.
Fan
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
11
,
567
(
2005
).
32.
C. B.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
135002
(
2011
).
33.
C. B.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
J.
van Tilborg
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
18
,
083103
(
2011
).
34.
C.
Benedetti
,
A.
Sgattoni
,
G.
Turchetti
, and
P.
Londrillo
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
36
,
1790
(
2008
).
35.
C.
Benedetti
,
P.
Londrillo
,
V.
Petrillo
,
L.
Serafini
,
A.
Sgattoni
,
P.
Tomassini
, and
G.
Turchetti
,
Nucl. Instrum. Methods A
608
,
94
(
2009
).
You do not currently have access to this content.