Particle energy chirp is shown to be a useful instrument in the staging laser wakefield acceleration directed to generation of high-quality dense electron beams. The chirp is a necessary tool to compensate non-uniformity of acceleration field in longitudinal direction and achieve essential reduction of energy dispersion. This is demonstrated via particle-in-cell simulations exploiting the splitting technique for plasma and beam electrons. Properly chosen beam chirps allow a decrease in the energy dispersion of order of magnitude in every single stage during acceleration to the GeV energy range.
References
1.
P.
Gibbon
, Short Pulse Laser Interaction With Matter
(World Scientific
, 2005
).2.
D.
Umstadter
, J. Phys. D
36
, R151
(2003
).3.
C. S.
Joshi
, Phys. Plasmas
14
, 055501
(2007
).4.
E.
Esarey
, C. B.
Schroeder
, and W. P.
Leemans
, Rev. Mod. Phys.
81
, 1229
(2009
).5.
V.
Malka
, Phys. Plasmas
19
, 055501
(2012
).6.
S. M.
Hooker
, Nat. Photonics
7
, 775
(2013
).7.
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
, C.
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
).8.
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
, Nat. Phys.
2
, 696
(2006
).9.
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
).10.
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
).11.
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
).12.
S. K.
Barber
, J. V.
Tilborg
, C. B.
Schroeder
, R.
Lehe
, H. E.
Tsai
, K. K.
Swanson
, S.
Steinke
, K.
Nakamura
, C. G. R.
Geddes
, C.
Benedetti
, E.
Esarey
, and W. P.
Leemans
, Phys. Rev. Lett.
119
, 104801
(2017
).13.
Z.
Qin
, C.
Yu
, W.
Wang
, J.
Liu1
, W.
Li
, R.
Qi
, Z.
Zhang
, J.
Liu
, M.
Fang
, K.
Feng
, Y.
Wu
, L.
Ke
, Y.
Chen
, Y.
Xu
, Y.
Leng
, C.
Wang
, R.
Li
, and Z.
Xu
, Phys. Plasmas
25
, 023106
(2018
).14.
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
, C.
Toth
, S.
Trotsenko
, T. S.
Kim
, M.
Battaglia
, T.
Stohlker
, and W. P.
Leemans
, Phys. Rev. Lett.
109
, 064802
(2012
).15.
T.
Hosokai
, K.
Kinoshita
, A.
Zhidkov
, A.
Maekawa
, A.
Yamazaki
, and M.
Uesaka
, Phys. Rev. Lett.
97
, 075004
(2006
).16.
N.
Nakanii
, T.
Hosokai
, K.
Iwasa
, S.
Masuda
, A.
Zhidkov
, N.
Pathak
, H.
Nakahara
, Y.
Mizuta
, N.
Takeguchi
, and R.
Kodama
, Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
18
, 021303
(2015
).17.
D.
Umstadter
, J. K.
Kim
, and E.
Dodd
, Phys. Rev. Lett.
76
, 2073
(1996
).18.
E.
Esarey
, R. F.
Hubbard
, W. P.
Leemans
, A.
Ting
, and P.
Sprangle
, Phys. Rev. Lett.
79
, 2682
(1997
).19.
S.
Bulanov
, N.
Naumova
, F.
Pegoraro
, and J.
Sakai
, Phys. Rev. E 58
58
, R5257
(1998
).20.
H.
Suk
, N.
Barov
, J. B.
Rosenzweig
, and E.
Esarey
, Phys. Rev. Lett.
86
, 1011
(2001
).21.
P.
Tomassini
, M.
Galimberti
, A.
Giulietti
, D.
Giulietti
, L. A.
Gizzi
, L.
Labate
, and F.
Pegoraro
, Phys. Rev. Accel. Beams
6
, 121301
(2003
).22.
T.
Ohkubo
, A.
Zhidkov
, T.
Hosokai
, K.
Kinoshita
, and M.
Uesaka
, Phys. Plasmas
13
, 033110
(2006
).23.
K.
Schmid
, A.
Buck
, C. M. S.
Sears
, J. M.
Mikhailova
, R.
Tautz
, D.
Herrmann
, M.
Geissler
, F.
Krausz
, and L.
Veisz
, Phys. Rev. Accel. Beams
13
, 091301
(2010
).24.
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
).25.
M.
Chen
, Z. M.
Sheng
, Y.
Ma
, and J.
Zhang
, J. Appl. Phys.
99
, 056109
(2006
).26.
A.
Pak
, K. A.
Marsh
, S. F.
Martins
, W.
Lu
, W. B.
Mori
, and C.
Joshi
, Phys. Rev. Lett.
104
, 025003
(2010
).27.
A.
Zhidkov
, N.
Pathak
, J. K.
Koga
, K.
Huang
, M.
Kando
, and T.
Hosokai
, Phys. Rev. Res.
2
, 013216
(2020
).28.
J.
Vieira
, S. F.
Martins
, V. B.
Pathak
, R. A.
Fonseca
, W. B.
Mori
, and L. O.
Silva
, Phys. Rev. Lett.
106
, 225001
(2011
).29.
V. B.
Pathak
, J.
Vieira
, R. A.
Fonseca
, and L. O.
Silva
, New J. Phys.
14
, 023057
(2012
).30.
N.
Pathak
, A.
Zhidkov
, T.
Hosokai
, and R.
Kodama
, Phys. Plasmas
25
, 013119
(2018
).31.
J.
Faure
, C.
Rechatin
, A.
Norlin
, A.
Lifschitz
, Y.
Glinec
, and V.
Malka
, Nature
444
, 737
(2006
).32.
C. G. R.
Geddes
, K.
Nakamura
, G. R.
Plateau
, C.
Toth
, E.
Cormier-Michel
, E.
Esarey
, C. B.
Schroeder
, J. R.
Cary
, and W. P.
Leemans
, Phys. Rev. Lett.
100
, 215004
(2008
).33.
C.
McGuffey
, A. G. R.
Thomas
, W.
Schumaker
, T.
Matsuoka
, V.
Chvykov
, F. J.
Dollar
, G.
Kalintchenko
, V.
Yanovsky
, A.
Maksimchuk
, K.
Krushelnick
, V. Yu.
Bychenkov
, I. V.
Glazyrin
, and A. V.
Karpeev
, Phys. Rev. Lett.
104
, 025004
(2010
).34.
T.
Hosokai
, A.
Zhidkov
, A.
Yamazaki
, Y.
Mizuta
, M.
Uesaka
, and R.
Kodama
, Appl. Phys. Lett.
96
, 121501
(2010
).35.
M.
Mirzaie
, S.
Li
, M.
Zeng
, N. A. M.
Hafz
, M.
Chen
, G. Y.
Li
, Q. J.
Zhu
, H.
Liao
, T.
Sokollik
, F.
Liu
, Y. Y.
Ma
, L. M.
Chen
, Z. M.
Sheng
, and J.
Zhang
, Sci. Rep.
5
, 14659
(2015
).36.
H. T.
Kim
, V. B.
Pathak
, K. H.
Pae
, A.
Lifschitz
, F.
Sylla
, J. H.
Shin
, C.
Hojbota
, S. K.
Lee
, J. H.
Sung
, H. W.
Lee
, E.
Guillaume
, C.
Thaury
, K.
Nakajima
, J.
Vieira
, L. O.
Silva
, V.
Malka
, and C. H.
Nam
, Sci. Rep.
7
, 10203
(2017
).37.
C.
Rechatin
, J.
Faure
, A.
Ben-Ismail
, J.
Lim
, R.
Fitour
, A.
Specka
, H.
Videau
, A.
Tafzi
, F.
Burgy
, and V.
Malka
, Phys. Rev. Lett.
102
, 164801
(2009
).38.
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
).39.
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
).40.
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
).41.
Z.
Jin
, H.
Nakamura
, N.
Pathak
, Y.
Sakai
, A.
Zhidkov
, K.
Sueda
, R.
Kodama
, and T.
Hosokai
, Sci. Rep.
9
, 20045
(2019
).42.
G. G.
Manahan
, A. F.
Habib
, P.
Scherkl
, P.
Delinikolas
, A.
Beaton
, A.
Knetsch
, O.
Karger
, G.
Wittig
, T.
Heinemann
, Z. M.
Sheng
, J. R.
Cary
, D. L.
Bruhwiler
, J. B.
Rosenzweig
, and B.
Hidding
, Nat. Commun.
8
, 15705
(2017
).43.
V.
Shpakov
, M. P.
Anania
, M.
Bellaveglia
, A.
Biagioni
, F.
Bisesto
, F.
Cardelli
, M.
Cesarini
, E.
Chiadroni
, A.
Cianchi
, G.
Costa
, M.
Croia
, A.
Del Dotto
, D.
Di Giovenale
, M.
Diomede
, M.
Ferrario
, F.
Filippi
, A.
Giribono
, V.
Lollo
, M.
Marongiu
, V.
Martinelli
, A.
Mostacci
, L.
Piersanti
, G. D.
Pirro
, R.
Pompili
, S.
Romeo
, J.
Scifo
, C.
Vaccarezza
, F.
Villa
, and A.
Zigler
, Phys. Rev. Lett.
122
, 114801
(2019
).44.
A. F.
Pousa
, A.
Martinez de la Ossa
, R.
Brinkmann
, and R. W.
Assmann
, Phys. Rev. Lett.
123
, 054801
(2019
).45.
E.
Esarey
and M.
Pilloff
, Phys. Plasmas
2
, 1432
(1995
).46.
A.
Zhidkov
, J.
Koga
, T.
Hosokai
, K.
Kinoshita
, and M.
Uesaka
, Phys. Plasmas
11
, 5379
(2004
).47.
N.
Pathak
, A.
Zhidkov
et al., “Efficient modelling of laser wakefield acceleration” (unpublished).48.
N.
Pathak
, A.
Zhidkov
, Y.
Sakai
, Z.
Jin
, and T.
Hosokai
, Phys. Plasmas
27
, 033106
(2020
).49.
E.
Guillaume
, A.
Dopp
, C.
Thaury
, K. T.
Phuoc
, A.
Lifschitz
, G.
Grittani
, J. P.
Goddet
, A.
Tafzi
, S. W.
Chou
, L.
Veisz
, and V.
Malka
, Phys. Rev. Lett.
115
, 155002
(2015
).50.
A.
Dopp
, E.
Guillaume
, C.
Thaury
, A.
Lifschitz
, K. T.
Phuoc
, and V.
Malka
, Phys. Plasmas
23
, 056702
(2016
).51.
A.
Dopp
, C.
Thaury
, E.
Guillaume
, F.
Massimo
, A.
Lifschitz
, I.
Andriyash
, J. P.
Goddet
, A.
Tafzi
, K. T.
Phuoc
, and V.
Malka
, Phys. Rev. Lett.
121
, 074802
(2018
).52.
Z.
Jin
et al., “Controllable electron self-injection for staging LWFA with asymmetric gas-jet nozzle” (unpublished).53.
M.
Reiser
, Theory and Design of Charged Particle Beams
(Wiley
, New York
, 1994
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
