All-optical compact plasma focusing and transportation of electron beams, in the passive mode of a plasma lens, is studied via real geometry particle-in-cell simulations for its suitability for the laser wakefield acceleration technique. The focusing of an electron beam by a passive plasma lens is a non-linear and dynamic process, which strongly depends on the space charge induced evacuation of the plasma electrons in the vicinity of the propagating electron beam. Effects of such focusing on the energy spread, divergence, and emittance of laser-driven electron beams are analyzed numerically for different plasma densities. An initially negative chirp in electron beam energy is shown to be instrumental in suppressing the unwanted growth in the relative energy spread of the electron beam during the passive lensing. Usefulness of such a passive plasma element for a single and multi-stage laser wakefield acceleration configuration is demonstrated.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
C. S.
Liu
and
V. K.
Tripathi
,
The Interaction of Electromagnetic Waves with Electron Beams and Plasmas
(
World Scientific
,
1994
).
3.
P.
Gibbon
,
Short Pulse Laser Interaction with Matter
(
World Scientific
,
2005
).
4.
C. S.
Joshi
,
Phys. Plasmas
14
,
055501
(
2007
).
5.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
6.
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
).
7.
W.
Wang
,
K.
Feng
,
L.
Ke
,
C.
Yu
,
Y.
Xu
,
R.
Qi
,
Y.
Chen
,
Z.
Qin
,
Z.
Zhang
,
M.
Fang
,
J.
Liu
,
K.
Jiang
,
H.
Wang
,
C.
Wang
,
X.
Yang
,
F.
Wu
,
Y.
Leng
,
J.
Liu
,
R.
Li
, and
Z.
Xu
,
Nature
595
,
516
(
2021
).
8.
S.
Jalas
,
M.
Kirchen
,
P.
Messner
,
P.
Winkler
,
L.
Hubner
,
J.
Dirkwinkel
,
M.
Schnepp
,
R.
Lehe
, and
A. R.
Maier
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
104801
(
2021
).
9.
See www.eli-beams.eu for ELI-WHITEBOOK.
10.
R. W.
Assmann
,
M. K.
Weikum
,
T.
Akhter
,
D.
Alesini
et al,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
229
,
3675
(
2020
).
11.
C.
Danson
,
D.
Hillier
,
N.
Hopps
, and
D.
Neely
,
High Power Laser Sci. Eng.
3
,
1
14
(
2015
).
12.
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
).
13.
Z.
Jin
,
H.
Nakamura
,
N.
Pathak
,
Y.
Sakai
,
A.
Zhidkov
,
K.
Sueda
,
R.
Kodama
, and
T.
Hosokai
,
Sci. Rep.
9
,
20045
(
2019
).
14.
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
).
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.
A. F.
Pousa
,
A.
Martinez de la Ossa
,
R.
Brinkmann
, and
R. W.
Assmann
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
054801
(
2019
).
18.
N.
Pathak
,
A.
Zhidkov
, and
T.
Hosokai
,
Phys. Plasmas
28
,
053105
(
2021
).
19.
M.
Migliorati
,
A.
Bacci
,
C.
Benedetti
,
E.
Chiadroni
,
M.
Ferrario
,
A.
Mostacci
,
L.
Palumbo
,
A. R.
Rossi
,
L.
Serafini
, and
P.
Antici
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
16
,
011302
(
2013
).
20.
J. B.
Johnson
,
J. Opt. Soc. A
6
,
701
(
1922
).
21.
22.
23.
G. J.
Budker
, in
Proceedings of the CERN Symposium on High Energy Accelerators and Pion Physics
(
CERN Service D'Information
,
Geneva
,
1956
), pp.
68
75
.
24.
C. E.
Doss
,
E.
Adli
,
R.
Ariniello
,
J.
Cary
,
S.
Corde
,
B.
Hidding
,
M. J.
Hogan
,
K.
Hunt-Stone
,
C.
Joshi
,
K. A.
Marsh
,
J. B.
Rosenzweig
,
N.
Vafaei-Najafabadi
,
V.
Yakimenko
, and
M.
Litos
,
Phys. Rev. Accel. Beams
22
,
111001
(
2019
).
25.
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
,
07101
(
2016
).
26.
W. K. H.
Panofsky
and
W.
Baker
,
Rev. Sci. Instrum.
21
,
445
(
1950
).
27.
J.
Van Tilborg
,
S.
Steinke
,
C.
Geddes
,
N.
Matlis
,
B.
Shaw
,
A.
Gonsalves
,
J.
Huijts
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C.
Schroeder
et al,
Phys. Rev. Lett.
115
,
184802
(
2015
).
28.
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
).
29.
R.
Lehe
,
C.
Thaury
,
E.
Guillaume
,
A.
Lifschitz
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
17
,
121301
(
2014
).
30.
C.
Thaury
,
E.
Guillaume
,
A.
Dopp
,
R.
Lehe
,
A.
Lifschitz
,
K.
Ta Phuoc
,
J.
Gautier
,
J. P.
Goddet
,
A.
Tafzi
,
A.
Flacco
,
F.
Tissandier
,
S.
Sebban
,
A.
Rousse
, and
V.
Malka
,
Nat. Commun.
6
,
6860
(
2015
).
31.
J. B.
Svensson
,
D.
Guenot
,
J.
Ferri
,
H.
Ekerfelt
,
I. G.
Gonzalez
,
A.
Persson
,
K.
Svendsen
,
L.
Veisz
, and
O.
Lundh
,
Nat. Phys.
17
,
639
(
2021
).
32.
P.
Chen
,
Part. Accel.
20
,
171
(
1987
).
33.
G.
Hairapetian
,
P.
Davis
,
C. E.
Clayton
,
C.
Joshi
,
H. C.
Hartman
,
C.
Pellegrini
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
2403
(
1994
).
34.
N.
Barov
,
M. E.
Conde
,
W.
Gai
, and
J. B.
Rosenzweig
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
81
(
1998
).
35.
R.
Govil
,
W. P.
Leemans
,
E. Y.
Backhaus
, and
J. S.
Wurtele
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
3202
(
1999
).
36.
S.
Lee
,
T.
Katsouleas
,
R.
Hemker
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. E
61
,
7014
(
2000
).
37.
P.
Muggli
,
B. E.
Blue
,
C. E.
Clayton
,
S.
Deng
,
F. J.
Decker
,
M. J.
Hogan
,
C.
Huang
,
R.
Iverson
,
C.
Joshi
,
T.
Katsouleas
,
S.
Lee
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
,
C. L.
O'Connell
,
P.
Raimondi
,
R.
Siemann
, and
D.
Walz
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
014802
(
2004
).
38.
M. C.
Thompson
,
H.
Badakov
,
J. B.
Rosenzweig
,
G.
Travish
,
N.
Barov
,
P.
Piot
,
R.
Fliller
,
G. M.
Kazakevich
,
J.
Santucci
,
J.
Li
, and
R.
Tikhoplav
,
Phys. Plasmas
17
,
073105
(
2010
).
39.
N.
Pathak
,
A.
Zhidkov
, and
T.
Hosokai
,
Phys. Lett. A
425
,
127873
(
2022
).
40.
R.
Lehe
,
M.
Kirchen
,
I.
Andriyash
,
B. B.
Godfrey
, and
J. L.
Vay
,
Comput. Phys. Commun.
203
,
66
(
2016
).
41.
C.
Benedetti
,
P.
Londrillo
,
V.
Petrillo
,
L.
Serafini
,
A.
Sgattoni
,
P.
Tomassini
, and
G.
Turchetti
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
608
,
S94
S98
(
2009
).
42.
P.
Tomassini
,
D.
Terzani
,
L.
Labate
,
G.
Toci
,
A.
Chance
,
P. A. P.
Nghiem
, and
L. A.
Gizzi
,
Phys. Rev. Accel. Beams
22
,
111302
(
2019
).
43.
R. D.
Arcy
,
S.
Wesch
,
A.
Aschikhin
,
S.
Bohlen
,
C.
Behrens
,
M. J.
Garland
,
L.
Goldberg
,
P.
Gonzalez
,
A.
Knetsch
,
V.
Libov
,
A.
Martinez de la Ossa
,
M.
Meisel
,
T. J.
Mehrling
,
P.
Niknejad
,
K.
Poder
,
J. H.
Rockemann
,
L.
Schaper
,
B.
Schmidt
,
S.
Schroder
,
C.
Palmer
,
J. P.
Schwinkendorf
,
B.
Sheeran
,
M. J. V.
Streeter
,
G.
Tauscher
,
V.
Wacker
, and
J.
Osterhoff
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
034801
(
2019
).
44.
V.
Shpakov
,
M. P.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F. G.
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.
Di Pirro
,
R.
Pompili
,
S.
Romeo
,
J.
Scifo
,
C.
Vaccarezza
,
F.
Villa
, and
A.
Zigler
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
114801
(
2019
).
45.
R.
Pompili
,
D.
Alesini
,
M. P.
Anania
,
M.
Behtouei
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F. G.
Bisesto
,
M.
Cesarini
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
O.
Coiro
,
G.
Costa
,
M.
Croia
,
A.
Del Dotto
,
D.
Di Giovenale
,
M.
Diomede
,
F.
Dipace
,
M.
Ferrario
,
A.
Giribono
,
V.
Lollo
,
L.
Magnisi
,
M.
Marongiu
,
A.
Mostacci
,
L.
Piersanti
,
G.
Di Pirro
,
S.
Romeo
,
A. R.
Rossi
,
J.
Scifo
,
V.
Shpakov
,
C.
Vaccarezza
,
F.
Villa
, and
A.
Zigler
,
Nat. Phys.
17
,
499
(
2021
).
46.
A.
Jain
and
D. N.
Gupta
,
Phys. Rev. Accel. Beams
24
,
111302
(
2021
).
47.
X.
Li
,
A.
Chance
, and
P. A. P.
Nghiem
,
Phys. Rev. Accel. Beams
22
,
021304
(
2019
).
48.
K.
Floettmann
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
6
,
079901
(
2003
).
49.
C. E.
Clayton
,
B. E.
Blue
,
E. S.
Dodd
,
C.
Joshi
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
,
S.
Wang
,
P.
Catravas
,
S.
Chattopadhyay
,
E.
Esarey
,
W. P.
Leemans
,
R.
Assmann
,
F. J.
Decker
,
M. J.
Hogan
,
R.
Iverson
,
P.
Raimondi
,
R. H.
Siemann
,
D.
Walz
,
T.
Katsouleas
,
S.
Lee
, and
P.
Muggli
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
154801
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.