Ultrarelativistic electron generation during the intense, ultrashort laser pulse interaction with clusters

高強度レーザーとクラスターとの相互作用による電子加速

福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 林 由紀雄; 本間 隆之; 井上 典洋*; 神門 正城; 金沢 修平; 桐山 博光; 近藤 修司; 小瀧 秀行; 益田 伸一*; 森 道昭; 山崎 敦*; 山川 考一; Echkina, E. Yu.*; Inovenkov, I. N.*; Koga, J. K.; Bulanov, S. V.*

Fukuda, Yuji; Akahane, Yutaka; Aoyama, Makoto; Hayashi, Yukio; Homma, Takayuki; Inoue, Norihiro*; Kando, Masaki; Kanazawa, Shuhei; Kiriyama, Hiromitsu; Kondo, Shuji; Kotaki, Hideyuki; Masuda, Shinichi*; Mori, Michiaki; Yamazaki, Atsushi*; Yamakawa, Koichi; Echkina, E. Yu.*; Inovenkov, I. N.*; Koga, J. K.; Bulanov, S. V.*

高強度レーザー励起航跡場による電子加速は、レーザープラズマ加速器の原理検証や極短パルスX線源開発にとって重要な役割を果たしている。最近、準単色の電子発生が報告され注目を浴びているが、電子注入過程のコントロールによる準単色電子のエネルギー制御と安定化が今後の研究課題となっている。本研究では、強光子場中でのクラスター媒質を用いた電子加速実験を行い、レーザープラズマ加速におけるクラスターの役割について調べた。その結果、クラスター媒質を用いて初めて、指向性を有する相対論電子の発生に成功した(最大エネルギー=58MeV)。電子エネルギー分布は、温度の異なる2つの成分から構成されている。2D-PICシミュレーションによる解析から、高エネルギー成分を構成する電子は、レーザー光との相互作用によってクラスターから生成した電子が、レーザー光に注入され、その後、レーザー光によって直接加速されて生成したものであることが明らかとなった。

Collimated relativistic electrons up to 58 MeV with an electron charge of 2.1 nC were generated by the interaction of intense laser pulses with the Ar cluster target at the laser intensity of 3.510W/cm. The resulting spectrum does not fit a Maxwellian distribution, but is well described by a two-temperature Maxwellian, which indicates two mechanisms of the electron acceleration. Two dimensional particle-in-cell simulations demonstrate an important role of clusters. The higher energy electrons are injected when they are expelled from the clusters by the laser pulse field. They then gain their energy during the direct acceleration by the laser pulse, whose phase velocity in the underdense plasma is larger than speed of light in vacuum. The lower energy electrons, which are injected during the plasma wave breaking, are accelerated by the wakefield.