For the laser wakefield acceleration, suppression of beam energy spread while keeping sufficient charge is one of the key challenges. In order to achieve this, we propose bichromatic laser ionization injection with combined laser wavelengths of 2.4μm and 0.8μm for wakefield excitation and triggering electron injection via field ionization, respectively. A laser pulse at 2.4μm wavelength enables one to drive an intense acceleration structure with a relatively low laser power. To further reduce the requirement of laser power, we also propose to use carbon dioxide as the working gas medium, where carbon acts as the injection element. Our three dimensional particle-in-cell simulations show that electron beams at the GeV energy level with both low energy spreads (around 1%) and high charges (several tens of picocoulomb) can be obtained by the use of this scheme with laser peak power totaling sub-100 TW.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
S.
Mangles
,
C.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A.
Thomas
,
J.
Collier
,
A.
Dangor
,
E.
Divall
,
P.
Foster
,
J.
Gallacher
,
C.
Hooker
 et al,
Nature
431
,
535
(
2004
).
3.
C.
Geddes
,
C.
Toth
,
J.
Van Tilborg
,
E.
Esarey
,
C.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
C.
Nieter
,
J.
Cary
, and
W.
Leemans
,
Nature
431
,
538
(
2004
).
4.
J.
Faure
,
Y.
Glinec
,
A.
Pukhov
,
S.
Kiselev
,
S.
Gordienko
,
E.
Lefebvre
,
J.-P.
Rousseau
,
F.
Burgy
, and
V.
Malka
,
Nature
431
,
541
(
2004
).
5.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
6.
V.
Malka
,
Phys. Plasmas
19
,
055501
(
2012
).
7.
X.
Wang
,
R.
Zgadzaj
,
N.
Fazel
,
Z.
Li
,
S.
Yi
,
X.
Zhang
,
W.
Henderson
,
Y.-Y.
Chang
,
R.
Korzekwa
, and
H.-E.
Tsai
 et al,
Nat. Commun.
4
,
1988
(
2013
).
8.
H. T.
Kim
,
K. H.
Pae
,
H. J.
Cha
,
I. J.
Kim
,
T. J.
Yu
,
J. H.
Sung
,
S. K.
Lee
,
T. M.
Jeong
, and
J.
Lee
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
165002
(
2013
).
9.
W. P.
Leemans
,
A. J.
Gonsalves
,
H.-S.
Mao
,
K.
Nakamura
,
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
C.
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.
Z.
Zhang
,
W.
Li
,
J.
Liu
,
W.
Wang
,
C.
Yu
,
Y.
Tian
,
K.
Nakajima
,
A.
Deng
,
R.
Qi
,
C.
Wang
,
Z.
Qin
,
M.
Fang
,
J.
Liu
,
C.
Xia
,
R.
Li
, and
Z.
Xu
,
Phys. Plasmas
23
,
053106
(
2016
).
11.
J.
Vieira
,
S. F.
Martins
,
V. B.
Pathak
,
R. A.
Fonseca
,
W. B.
Mori
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
225001
(
2011
).
12.
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
).
13.
R.
Lehe
,
A. F.
Lifschitz
,
X.
Davoine
,
C.
Thaury
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
085005
(
2013
).
14.
D.
Umstadter
,
J. K.
Kim
, and
E.
Dodd
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
2073
(
1996
).
15.
M.
Chen
,
Z.-M.
Sheng
,
Y.-Y.
Ma
, and
J.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
99
,
056109
(
2006
).
16.
E.
Oz
,
S.
Deng
,
T.
Katsouleas
,
P.
Muggli
,
C. D.
Barnes
,
I.
Blumenfeld
,
F. J.
Decker
,
P.
Emma
,
M. J.
Hogan
,
R.
Ischebeck
,
R. H.
Iverson
,
N.
Kirby
,
P.
Krejcik
,
C.
O'Connell
,
R. H.
Siemann
,
D.
Walz
,
D.
Auerbach
,
C. E.
Clayton
,
C.
Huang
,
D. K.
Johnson
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
, and
M.
Zhou
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
084801
(
2007
).
17.
C.
McGuffey
,
A. G. R.
Thomas
,
W.
Schumaker
,
T.
Matsuoka
,
V.
Chvykov
,
F. J.
Dollar
,
G.
Kalintchenko
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
,
K.
Krushelnick
,
V. Y.
Bychenkov
,
I. V.
Glazyrin
, and
A. V.
Karpeev
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025004
(
2010
).
18.
A.
Pak
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025003
(
2010
).
19.
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
).
20.
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
).
21.
J. S.
Liu
,
C. Q.
Xia
,
W. T.
Wang
,
H. Y.
Lu
,
C.
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
).
22.
M.
Chen
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
C. G. R.
Geddes
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
19
,
033101
(
2012
).
23.
B.
Hidding
,
G.
Pretzler
,
J. B.
Rosenzweig
,
T.
Königstein
,
D.
Schiller
, and
D. L.
Bruhwiler
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
035001
(
2012
).
24.
X.-L.
Xu
,
J.-F.
Hua
,
F.
Li
,
C.-J.
Zhang
,
L.-X.
Yan
,
Y.-C.
Du
,
W.-H.
Huang
,
H.-B.
Chen
,
C.-X.
Tang
,
W.
Lu
,
P.
Yu
,
W.
An
,
C.
Joshi
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
035003
(
2014
).
25.
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
).
26.
M.
Zeng
,
N. A. M.
Hafz
,
K.
Nakajima
,
L.-M.
Chen
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
,
Z.-M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
J. Plasma Phys.
78
,
363
(
2012
).
27.
M.
Zeng
,
M.
Chen
,
Z.-M.
Sheng
,
W. B.
Mori
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas
21
,
030701
(
2014
).
28.
M.
Mirzaie
,
S.
Li
,
M.
Zeng
,
N.
Hafz
,
M.
Chen
,
G.
Li
,
Q.
Zhu
,
H.
Liao
,
T.
Sokollik
, and
F.
Liu
 et al,
Sci. Rep.
5
,
14659
(
2015
).
29.
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
).
30.
F.
Wang
,
G.
Xie
,
P.
Yuan
, and
L.
Qian
,
Laser Phys. Lett.
12
,
075402
(
2015
).
31.
A.
Vaupel
,
N.
Bodnar
,
B.
Webb
,
L.
Shah
, and
M.
Richardson
,
Opt. Eng.
53
,
051507
(
2013
).
32.
D.
Herrmann
,
L.
Veisz
,
R.
Tautz
,
F.
Tavella
,
K.
Schmid
,
V.
Pervak
, and
F.
Krausz
,
Opt. Lett.
34
,
2459
(
2009
).
33.
F.
Tavella
,
A.
Marcinkevičius
, and
F.
Krausz
,
Opt. Express
14
,
12822
(
2006
).
34.
M.
Ammosov
,
N.
Delone
,
V.
Krainov
,
A.
Perelomov
,
V.
Popov
,
M.
Terent'ev
,
G. L.
Yudin
, and
M. Y.
Ivanov
,
Sov. Phys. JETP
64
,
1191
(
1986
); available at http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_064_06_1191.pdf.
35.
D. L.
Bruhwiler
,
D. A.
Dimitrov
,
J. R.
Cary
,
E.
Esarey
,
W.
Leemans
, and
R. E.
Giacone
,
Phys. Plasmas
10
,
2022
(
2003
).
36.
M.
Chen
,
E.
Cormier-Michel
,
C.
Geddes
,
D.
Bruhwiler
,
L.
Yu
,
E.
Esarey
,
C.
Schroeder
, and
W.
Leemans
,
J. Comput. Phys.
236
,
220
(
2013
).
37.
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
,
Lecture Notes in Computer Science
(
Springer
,
2002
), Vol.
2331
, pp.
342
351
.
38.
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
F.
Rossi
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
20
,
103108
(
2013
).
39.
X. L.
Xu
,
Y. P.
Wu
,
C. J.
Zhang
,
F.
Li
,
Y.
Wan
,
J. F.
Hua
,
C. H.
Pai
,
W.
Lu
,
P.
Yu
,
C.
Joshi
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. Spec. Top.--Accel. Beams
17
,
061301
(
2014
).
40.
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
).
41.
D.
Yoshitomi
,
Y.
Kobayashi
,
H.
Takada
,
M.
Kakehata
, and
K.
Torizuka
,
Opt. Lett.
30
,
1408
(
2005
).
42.
S.
Corde
,
K.
Ta Phuoc
,
G.
Lambert
,
R.
Fitour
,
V.
Malka
,
A.
Rousse
,
A.
Beck
, and
E.
Lefebvre
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1
(
2013
).
43.
M.
Chen
,
J.
Luo
,
F.-Y.
Li
,
F.
Liu
,
Z.-M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Light: Sci. Appl.
5
,
e16015
(
2016
).
44.
M. E.
Couprie
,
M.
Labat
,
C.
Evain
,
F.
Marteau
,
F.
Briquez
,
M.
Khojoyan
,
C.
Benabderrahmane
,
L.
Chapuis
,
N.
Hubert
,
C.
Bourassin-Bouchet
,
M. E.
Ajjouri
,
F.
Bouvet
,
Y.
Dietrich
,
M.
Vallau
,
G.
Sharma
,
W.
Yang
,
O.
Marcouill
,
J.
Vtran
,
P.
Berteaud
,
T. E.
Ajjouri
,
L.
Cassinari
,
C.
Thaury
,
G.
Lambert
,
I.
Andriyash
,
V.
Malka
,
X.
Davoine
,
M. A.
Tordeux
,
C.
Miron
,
D.
Zerbib
,
K.
Tavakoli
,
J. L.
Marlats
,
M.
Tilmont
,
P.
Rommelure
,
J. P.
Duval
,
M. H.
N'Guyen
,
A.
Rouqier
,
M.
Vanderbergue
,
C.
Herbeaux
,
M.
Sebdouai
,
A.
Lestrade
,
N.
Leclercq
,
D.
Dennetire
,
M.
Thomasset
,
F.
Polack
,
S.
Bielawski
,
C.
Szwaj
, and
A.
Loulergue
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
58
,
034020
(
2016
).
You do not currently have access to this content.