We demonstrate a novel approach to the generation of femtosecond electron bunch trains via laser-driven wakefield acceleration. We use two independent high-intensity laser pulses, a drive, and an injector, each creating their own plasma wakes. The interaction of the laser pulses and their wakes results in a periodic injection of free electrons in the drive plasma wake via several mechanisms, including ponderomotive drift, wake-wake interference, and pre-acceleration of electrons directly by strong laser fields. Electron trains were generated with up to four quasi-monoenergetic bunches, each separated in time by a plasma period. The time profile of the generated trains is deduced from an analysis of beam loading and confirmed using 2D particle-in-cell simulations.

1.
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
).
2.
G.
Golovin
,
S.
Banerjee
,
C.
Liu
,
S.
Chen
,
J.
Zhang
,
B.
Zhao
,
P.
Zhang
,
M.
Veale
,
M.
Wilson
,
P.
Seller
, and
D.
Umstadter
,
Sci. Rep.
6
,
24622
(
2016
).
3.
G.
Golovin
,
S.
Chen
,
N.
Powers
,
C.
Liu
,
S.
Banerjee
,
J.
Zhang
,
M.
Zeng
,
Z.
Sheng
, and
D.
Umstadter
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
18
,
011301
(
2015
).
4.
J.
Wenz
,
A.
Döpp
,
K.
Khrennikov
,
S.
Schindler
,
M. F.
Gilljohann
,
H.
Ding
,
J.
Götzfried
,
A.
Buck
,
J.
Xu
,
M.
Heigoldt
,
W.
Helml
,
L.
Veisz
, and
S.
Karsch
,
Nat. Photonics
13
,
263
(
2019
).
5.
M.
Hansson
,
B.
Aurand
,
X.
Davoine
,
H.
Ekerfelt
,
K.
Svensson
,
A.
Persson
,
C.-G.
Wahlström
, and
O.
Lundh
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
18
,
071303
(
2015
).
6.
C.
Thaury
,
E.
Guillaume
,
A.
Lifschitz
,
K. T.
Phuoc
,
M.
Hansson
,
G.
Grittani
,
J.
Gautier
,
J.-P.
Goddet
,
A.
Tafzi
,
O.
Lundh
, and
V.
Malka
,
Sci. Rep.
5
,
16310
(
2015
).
7.
C.
Aniculaesei
,
V. B.
Pathak
,
K. H.
Oh
,
P. K.
Singh
,
B. R.
Lee
,
C. I.
Hojbota
,
T. G.
Pak
,
E.
Brunetti
,
B. J.
Yoo
,
J. H.
Sung
,
S. K.
Lee
,
H. T.
Kim
, and
C. H.
Nam
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
044041
(
2019
).
8.
Y.
Wu
,
C.
Yu
,
Z.
Qin
,
W.
Wang
,
R.
Qi
,
Z.
Zhang
,
K.
Feng
,
L.
Ke
,
Y.
Chen
,
C.
Wang
,
J.
Liu
,
R.
Li
, and
Z.
Xu
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
61
,
085030
(
2019
).
9.
E.
Allaria
,
F.
Bencivenga
,
R.
Borghes
,
F.
Capotondi
,
D.
Castronovo
,
P.
Charalambous
,
P.
Cinquegrana
,
M. B.
Danailov
,
G.
De Ninno
,
A.
Demidovich
,
S.
Di Mitri
,
B.
Diviacco
,
D.
Fausti
,
W. M.
Fawley
,
E.
Ferrari
,
L.
Froehlich
,
D.
Gauthier
,
A.
Gessini
,
L.
Giannessi
,
R.
Ivanov
,
M.
Kiskinova
,
G.
Kurdi
,
B.
Mahieu
,
N.
Mahne
,
I.
Nikolov
,
C.
Masciovecchio
,
E.
Pedersoli
,
G.
Penco
,
L.
Raimondi
,
C.
Serpico
,
P.
Sigalotti
,
S.
Spampinati
,
C.
Spezzani
,
C.
Svetina
,
M.
Trovò
, and
M.
Zangrando
,
Nat. Commun.
4
,
2476
(
2013
).
10.
A.
Gover
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
8
,
030701
(
2005
).
11.
Y.-C.
Huang
,
Int. J. Mod. Phys. B
21
,
287
(
2007
).
12.
C.
Jing
,
A.
Kanareykin
,
J. G.
Power
,
M.
Conde
,
Z.
Yusof
,
P.
Schoessow
, and
W.
Gai
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
144801
(
2007
).
13.
P.
Muggli
,
V.
Yakimenko
,
M.
Babzien
,
E.
Kallos
, and
K. P.
Kusche
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
054801
(
2008
).
14.
Y.-E.
Sun
,
P.
Piot
,
A.
Johnson
,
A. H.
Lumpkin
,
T. J.
Maxwell
,
J.
Ruan
, and
R.
Thurman-Keup
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
234801
(
2010
).
15.
C. M. S.
Sears
,
E.
Colby
,
R.
Ischebeck
,
C.
McGuinness
,
J.
Nelson
,
R.
Noble
,
R. H.
Siemann
,
J.
Spencer
,
D.
Walz
,
T.
Plettner
, and
R. L.
Byer
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
11
,
061301
(
2008
).
16.
M.
Boscolo
,
M.
Ferrario
,
I.
Boscolo
,
F.
Castelli
, and
S.
Cialdi
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect., A
577
,
409
(
2007
).
17.
A.
Oguchi
,
A.
Zhidkov
,
K.
Takano
,
E.
Hotta
,
K.
Nemoto
, and
K.
Nakajima
,
Phys. Plasmas
15
,
043102
(
2008
).
18.
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
).
19.
S. Y.
Kalmykov
,
X.
Davoine
,
I.
Ghebregziabher
, and
B. A.
Shadwick
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect., A
909
,
433
(
2018
).
20.
S. Y.
Kalmykov
,
X.
Davoine
,
I.
Ghebregziabher
,
R.
Lehe
,
A. F.
Lifschitz
, and
B. A.
Shadwick
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
58
,
034006
(
2016
).
21.
S. Y.
Kalmykov
,
I. A.
Ghebregziabher
,
X.
Davoine
,
R.
Lehe
,
A. F.
Lifschitz
,
V.
Malka
, and
B. A.
Shadwick
,
AIP Conf. Proc.
1777
,
080007
(
2016
).
22.
Z.
Lécz
,
A.
Andreev
,
I.
Konoplev
,
A.
Seryi
, and
J.
Smith
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
60
,
075012
(
2018
).
23.
O.
Lundh
,
C.
Rechatin
,
J.
Lim
,
V.
Malka
, and
J.
Faure
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
065005
(
2013
).
24.
M. R.
Islam
,
E.
Brunetti
,
R. P.
Shanks
,
B.
Ersfeld
,
R. C.
Issac
,
S.
Cipiccia
,
M. P.
Anania
,
G. H.
Welsh
,
S. M.
Wiggins
,
A.
Noble
,
R. A.
Cairns
,
G.
Raj
, and
D. A. D. A.
Jaroszynski
,
New J. Phys.
17
,
093033
(
2015
).
25.
M.
Heigoldt
,
A.
Popp
,
K.
Khrennikov
,
J.
Wenz
,
S. W.
Chou
,
S.
Karsch
,
S. I.
Bajlekov
,
S. M.
Hooker
, and
B.
Schmidt
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
18
,
121302
(
2015
).
26.
G.
Golovin
,
W.
Yan
,
J.
Luo
,
C.
Fruhling
,
D.
Haden
,
B.
Zhao
,
C.
Liu
,
M.
Chen
,
S.
Chen
,
P.
Zhang
,
S.
Banerjee
, and
D.
Umstadter
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
104801
(
2018
).
27.
G.
Golovin
,
S.
Banerjee
,
S.
Chen
,
N.
Powers
,
C.
Liu
,
W.
Yan
,
J.
Zhang
,
P.
Zhang
,
B.
Zhao
, and
D.
Umstadter
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
830
,
375
(
2016
).
28.
T. C.
Katsouleas
,
J. J.
Su
,
S.
Wilks
,
J. M.
Dawson
, and
P.
Chen
,
Part. Accel.
22
,
81
(
1987
).
29.
M.
Tzoufras
,
W.
Lu
,
F.
Tsung
,
C.
Huang
,
W.
Mori
,
T.
Katsouleas
,
J.
Vieira
,
R.
Fonseca
, and
L.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
145002
(
2008
).
30.
T. D.
Arber
,
K.
Bennett
,
C. S.
Brady
,
A.
Lawrence-Douglas
,
M. G.
Ramsay
,
N. J.
Sircombe
,
P.
Gillies
,
R. G.
Evans
,
H.
Schmitz
,
A. R.
Bell
, and
C. P.
Ridgers
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
57
,
113001
(
2015
).
31.
F. S.
Tsung
,
W.
Lu
,
M.
Tzoufras
,
W. B.
Mori
,
C.
Joshi
,
J. M.
Vieira
,
L. O.
Silva
, and
R. A.
Fonseca
,
Phys. Plasmas
13
,
056708
(
2006
).
32.
A. A.
Golovanov
and
I. Y.
Kostyukov
,
Phys. Plasmas
25
,
103107
(
2018
).
33.
V.
Horný
,
V.
Petržílka
,
O.
Klimo
, and
M.
Krůs
,
Phys. Plasmas
24
,
103125
(
2017
).
34.
H.
Kotaki
,
S.
Masuda
,
M.
Kando
,
J. K.
Koga
, and
K.
Nakajima
,
Phys. Plasmas
11
,
3296
(
2004
).
35.
G.
Fubiani
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. E
70
,
016402
(
2004
).
36.
Z. M.
Sheng
,
W. M.
Wang
,
R.
Trines
,
P.
Norreys
,
M.
Chen
, and
J.
Zhang
,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
175
,
49
(
2009
).
37.
D.
Umstadter
,
J.
Kim
, and
E.
Dodd
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
2073
(
1996
).
You do not currently have access to this content.