The multi-stage technique in the laser driven acceleration of electrons has become a critical part for full-optical jitter-free accelerators. Several independent laser drivers and shorter plasma targets allow the stable and reproducible acceleration of electron bunches (or beam) at the GeV energies with narrower energy spreads. Moreover, the charge coupling, necessary for efficient acceleration in the consecutive acceleration stages, depends collectively on the parameters of the injected electron beam, the booster stage, and the nonlinear transverse dynamics of the electron beam in the laser pulse wake. An unmatched electron beam injected in the booster stage and its nonlinear transverse evolution may result in perturbations and even a reduction of the field strength in the acceleration phase of the wakefield. Thus, the analysis and characterization of charge coupling in multi-stage laser wakefield acceleration (LWFA) are important. Here, we investigate acceleration of an externally injected electron beam in the laser wakefield, emulating two-stage LWFA, using fully relativistic multi-dimensional particle-in-cell simulations. We also study the underlying critical parameters that affect the efficient coupling and acceleration of the injected electron beam in the booster stage.

1.
C. S.
Joshi
,
Phys. Plasmas
14
,
055501
(
2007
).
2.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
3.
V.
Malka
,
Phys. Plasmas
19
,
055501
(
2012
).
4.
S. M.
Hooker
,
Nat. Photonics
7
,
775
(
2013
).
5.
A. J.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C.
Benedetti
,
C.
Pieronek
,
T. C. H.
de Raadt
,
S.
Steinke
,
J. H.
Bin
,
S. S.
Bulanov
,
J.
van Tilborg
,
C. G. R.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
Cs.
Toth
,
E.
Esarey
,
K.
Swanson
,
L.
Fan-Chiang
,
G.
Bagdasarov
,
N.
Bobrova
,
V.
Gasilov
,
G.
Korn
,
P.
Sasorov
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
084801
(
2019
).
6.
W. P.
Leemans
,
R.
Duarte
,
E.
Esarey
,
S.
Fournier
,
C. G. R.
Geddes
,
D.
Lockhart
,
C. B.
Schroeder
,
C.
Toth
,
J. L.
Vay
, and
S.
Zimmermann
,
AIP Conf. Proc.
1299
,
3
(
2010
).
7.
W. L.
Kruer
,
The Physics of Laser Plasma Interaction
(
Addison Wesley
,
1988
)
8.
C. S.
Liu
and
V. K.
Tripathi
,
The Interaction of Electromagnetic Waves with Electron Beams and Plasmas
(
World Scientific
,
1994
).
9.
P.
Gibbon
,
Short Pulse Laser Interaction with Matter
(
World Scientific
,
2005
).
10.
W.
Leemans
and
E.
Esarey
,
Phys. Today
62
(
3
),
44
(
2009
).
11.
J.
Luo
,
M.
Chen
,
W. Y.
Wu
,
S. M.
Weng
,
Z. M.
Sheng
,
C. B.
Schroeder
,
D. A.
Jaroszynski
,
E.
Esarey
,
W. P.
Leemans
,
W. B.
Mori
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
154801
(
2018
).
12.
X.
Li
,
A.
Mosnier
, and
P. A. P.
Nghiem
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A
909
,
49
(
2018
).
13.
D.
Panasenko
,
A. J.
Shu
,
C. B.
Schroeder
,
A. J.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
N. H.
Matlis
,
E.
Cormier-Michel
,
G.
Plateau
,
C.
Lin
,
C.
Toth
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
AIP Conf. Proc.
1086
,
215
(
2009
).
14.
J.
van Tilborg
,
S.
Steinke
,
C. G. R.
Geddes
,
N. H.
Matlis
,
B. H.
Shaw
,
A. J.
Gonsalves
,
J. V.
Huijts
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C. B.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
S. S.
Bulanov
,
N. A.
Bobrova
,
P. V.
Sasorov
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
184802
(
2015
).
15.
Y.
Sakai
,
N.
Pathak
,
Z.
Jin
,
A.
Zhidkov
,
K.
Sueda
,
H.
Toran
,
Y.
Tanizawa
,
T.
Otsuka
,
J.
Ogino
,
H.
Nakamura
,
R.
Kodama
, and
T.
Hosokai
,
Phys. Rev. Accel. Beams
21
,
101301
(
2018
).
16.
S.
Steinke
,
J. V.
Tilborg
,
C.
Benedetti
,
C. G. R.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
J.
Daniels
,
K. K.
Swanson
,
A. J.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
N. H.
Matlis
,
B. H.
Shaw
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Nature
530
,
190
(
2016
).
17.
Z.
Jin
,
H.
Nakamura
,
N.
Pathak
,
Y.
Sakai
,
A.
Zhidkov
,
K.
Sueda
,
R.
Kodama
, and
T.
Hosokai
,
Sci. Rep.
9
,
20045
(
2019
).
18.
Here, the word efficiency defines the acceleration ability of the plasma wave without being effected by the electron beam.
It should not be confused with the energy transfer ratio between the plasma wave and the electron beam.
19.
M.
Reiser
,
Theory and Design of Charged Particle Beams
(
Wiley
,
New York
,
1994
).
20.
A. J. W.
Reitsma
,
W. P.
Leemans
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
L. P. J.
Kamp
, and
T. J.
Schep
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
5
,
051301
(
2002
).
21.
V.
Malka
,
A.
Lifschitz
,
J.
Faure
, and
Y.
Glinec
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
9
,
091301
(
2006
).
22.
B. S.
Paradkar
,
B.
Cros
,
P.
Mora
, and
G.
Maynard
,
Phys. Plasmas
20
,
083120
(
2013
).
23.
S. V.
Bulanov
,
T. Z.
Esirkepov
,
Y.
Hayashi
,
H.
Kiriyama
,
J. K.
Koga
,
H.
Kotaki
,
M.
Mori
, and
M.
Kando
,
J. Plasma Phys.
82
,
905820308
(
2016
).
24.
Y. J.
Gu
,
S. S.
Bulanov
,
G.
Korn
, and
S. V.
Bulanov
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
60
,
044020
(
2018
).
25.
A.
Zhidkov
,
J.
Koga
,
T.
Hosokai
,
K.
Kinoshita
, and
M.
Uesaka
,
Phys. Plasmas
11
,
5379
(
2004
).
26.
A.
Zhidkov
,
T.
Fujii
, and
K.
Nemoto
,
Phys. Rev. E
78
,
036406
(
2008
).
27.
W. T.
Wang
,
W. T.
Li
,
J. S.
Liu
,
Z. J.
Zhang
,
R.
Qi
,
C. H.
Yu
,
J. Q.
Liu
,
M.
Fang
,
Z. Y.
Qin
,
C.
Wang
,
Y.
Xu
,
F. X.
Wu
,
Y. X.
Leng
,
R. X.
Li
, and
Z. Z.
Xu
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
124801
(
2016
).
28.
P.
Muggli
,
B. E.
Blue
,
C. E.
Clayton
,
S.
Deng
,
F. J.
Decker
,
M. J.
Hogan
,
C.
Huang
,
R.
Iverson
,
C.
Joshi
,
T. C.
Katsouleas
,
S.
Lee
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
,
C. L.
O'Connell
, and
P.
Raimondi
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
014802
(
2004
).
29.
Y.
Ding
,
A.
Brachmann
,
F.-J.
Decker
,
D.
Dowell
,
P.
Emma
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
G.
Hays
,
Ph.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
A.
Miahnahri
,
H.-D.
Nuhn
,
D.
Ratner
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
, and
J.
Wu
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
254801
(
2009
).
30.
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.
Toth
,
S.
Trotsenko
,
T. S.
Kim
,
M.
Battaglia
,
Th.
Stohlker
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
064802
(
2012
).
31.
R.
Pompili
,
M. P.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
S.
Bini
,
F.
Bisesto
,
E.
Brentegani
,
F.
Cardelli
,
G.
Castorina
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
O.
Coiro
,
G.
Costa
,
M.
Croia
,
D.
Di Giovenale
,
M.
Ferrario
,
F.
Filippi
,
A.
Giribono
,
V.
Lollo
,
A.
Marocchino
,
M.
Marongiu
,
V.
Martinelli
,
A.
Mostacci
,
D.
Pellegrini
,
L.
Piersanti
,
G.
Di Pirro
,
S.
Romeo
,
A. R.
Rossi
,
J.
Scifo
,
V.
Shpakov
,
A.
Stella
,
C.
Vaccarezza
,
F.
Villa
, and
A.
Zigler
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
174801
(
2018
).
32.
S.
Kuschel
,
D.
Hollatz
,
T.
Heinemann
,
O.
Karger
,
M. B.
Schwab
,
D.
Ullmann
,
A.
Knetsch
,
A.
Seidel
,
C.
Rodel
,
M.
Yeung
,
M.
Leier
,
A.
Blinne
,
H.
Ding
,
T.
Kurz
,
D. J.
Corvan
,
A.
Savert
,
S.
Karsch
,
M. C.
Kaluza
,
B.
Hidding
, and
M.
Zepf
,
Phys. Rev. Accel. Beams
19
,
071301
(
2016
).
33.
O.
Lundh
,
J.
Lim
,
C.
Rechatin
,
L.
Ammoura
,
A.
Ben-Ismail
,
X.
Davoine
,
G.
Gallot
,
J. P.
Goddet
,
E.
Lefebvre
,
V.
Malka
, and
J.
Faure
,
Nat. Phys.
7
,
219
(
2011
).
34.
C.
Rechatin
,
X.
Davoine
,
A.
Lifschitz
,
A.
Ben Ismail
,
J.
Lim
,
E.
Lefebvre
,
J.
Faure
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
194804
(
2009
).
35.
Y. P.
Wu
,
J. F.
Hua
,
Z.
Zhou
,
J.
Zhang
,
S.
Liu
,
B.
Peng
,
Y.
Fang
,
Z.
Nie
,
X. N.
Ning
,
C. H.
Pai
,
Y. C.
Du
,
W.
Lu
,
C. J.
Zhang
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
204804
(
2019
).
36.
S. P.
Nikitin
,
T. M.
Antonsen
,
T. R.
Clark
,
Y.
Li
, and
H. M.
Milchberg
,
Opt. Lett.
22
,
1787
(
1997
).
37.
N.
Lemos
,
L.
Cardoso
,
J.
Geada
,
G.
Figueira
,
F.
Albert
, and
J. M.
Dias
,
Sci. Rep.
8
,
3165
(
2018
).
38.
R. J.
Shalloo
,
C.
Arran
,
L.
Corner
,
J.
Holloway
,
J.
Jonnerby
,
R.
Walczak
,
H. M.
Milchberg
, and
S. M.
Hooker
,
Phys. Rev. E
97
,
053203
(
2018
).
39.
T.
Hosokai
,
M.
Kando
,
H.
Dewa
,
H.
Kotaki
,
S.
Kondo
,
N.
Hasegawa
,
K.
Nakajima
, and
K.
Horioka
,
Opt. Lett.
25
,
10
(
2000
).
40.
A.
Butler
,
D. J.
Spence
, and
S. M.
Hooker
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
185003
(
2002
).
42.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C.
Benedetti
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
13
,
101301
(
2010
).
43.
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. Spec. Top.—Accel. Beams
14
,
091301
(
2011
).
44.
T.
Katsouleas
,
S.
Wilks
,
P.
Chen
,
J. M.
Dawson
, and
J. J.
Su
,
Part. Accel.
22
,
81
(
1987
).
45.
W.
Lu
,
M.
Tzoufras
,
C.
Joshi
,
F. S.
Tsung
,
W. B.
Mori
,
J.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
10
,
061301
(
2007
).
46.
S.
Gordienko
and
A.
Pukhov
,
Phys. Plasmas
12
,
043109
(
2005
).
47.
M.
Tzoufras
,
W.
Lu
,
F. S.
Tsung
,
C.
Huang
,
W. B.
Mori
,
T.
Katsouleas
,
J.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Plasmas
16
,
056705
(
2009
).
48.
N.
Pathak
,
A.
Zhidkov
,
S.
Masuda
,
T.
Hosokai
, and
R.
Kodama
,
Phys. Plasmas
23
,
113106
(
2016
).
49.
N.
Nakanii
,
T.
Hosokai
,
K.
Iwasa
,
N. C.
Pathak
,
S.
Masuda
,
A. G.
Zhidkov
,
H.
Nakahara
,
N.
Takeguchi
,
Y.
Mizuta
,
T. P.
Otsuka
,
K.
Sueda
,
H.
Nakamura
, and
R.
Kodama
,
Eur. Phys. Lett.
113
,
34002
(
2016
).
You do not currently have access to this content.