Acceleration of electrons to relativistic velocities using an ultra-intense laser

Abstract

The main subject of this PhD dissertation is the development, study, and optimization of a relativistic electron accelerator, generated by the interaction of an ultra-intense laser pulse with a gas medium. The extremely large electric fields of such laser pulses, which exceed the TV/m scale, convert the gas medium into plasma and excite electronic bubble-shaped plasma waves at the rear end of the laser pulse, which propagate along with it. The value of the electric fields inside the plasma bubbles is of the order of hundreds of GV/m. Thus, electrons from the plasma background can be injected inside the plasma bubbles, and be accelerated, much like a surfer riding a sea wave, to relativistic velocities. The process is termed laser wakefield acceleration, and it is concluded within a distance of a few millimeters. In this work, electron beams accelerated to relativistic kinetic energies of the order of 100 MeV are typically generated.The optimization of the relativistic electron accelerator included several experimental parameters such as the laser pulse contrast ratio and gas density profiles. The key parameter that was considered in this dissertation was the variation of the temporal rearrangement of the spectral components of the laser pulse, known as chirp. Studies using positively chirped laser pulses and He gas targets showed that the attained maximum kinetic energy can be controlled and be increased up to 60% compared to the Fourier transformed-limited laser pulses. Corresponding particle-in-cell simulations showed a much smoother plasma bubble formation for the cases of positively chirped laser pulses that promoted efficient electron acceleration to higher kinetic energies, in accordance with the measurements. The investigation of the laser chirp effect was also extended to multi-electron gas targets, showing qualitatively similar results with the He gas targets, but exposing the role of the additional electron injection mechanisms. Finally, the study on the role of the multi-electron gas targets was concluded by performing simultaneous measurements of the relativistic electron spectra and the corresponding betatron x-ray radiation, produced via the oscillatory motion of the relativistic electrons in the plasma bubble.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, μελέτη και βελτιστοποίηση ενός επιταχυντή σχετικιστικών ηλεκτρονίων, που δημιουργείται κατά την αλληλεπίδραση υπέρ-ισχυρών παλμών laser με αέριους στόχους. Το εξαιρετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο τέτοιων παλμών laser που ξεπερνά την κλίμακα των TV/m, μετατρέπει το αέριο μέσο σε πλάσμα, δημιουργώντας παράλληλα κύματα με μορφή φυσαλίδας τα οποία ακολουθούν τον παλμό του laser. Το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου εντός των φυσαλίδων πλάσματος είναι της τάξεως των GV/m. Ηλεκτρόνια από το πλάσμα παγιδεύονται εντός αυτών των φυσαλίδων πλάσματος και επιταχύνονται, όπως ακριβώς ένας σέρφερ από ένα θαλάσσιο κύμα, σε σχετικιστικές ταχύτητες. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται laser wakefield acceleration και λαμβάνει χώρα σε μια απόσταση μόλις μερικών χιλιοστών. Στα πειράματα που παρουσιάζονται εντός αυτής της διατριβής η τυπική ενέργεια των επιταχυνόμενων σχετικιστικών ηλεκτρονίων είναι της τάξεως των 100 MeV. Η βελτιστοποίηση του επιταχυντή των σχετικιστικών ηλεκτρονίων υλοποιήθηκε για μια πληθώρα πειραματικών παραμέτρων όπως είναι η χρονική κατανομή της ενέργειας του παλμού του laser (αντίθεση) και το γεωμετρικό προφίλ του αέριου στόχου. Η βασική όμως παράμετρος που μελετήθηκε ήταν η μεταβολή της διαμόρφωσης των συχνοτήτων του παλμού του laser στο χρόνο, γνωστό και ως chirp. Χρησιμοποιώντας παλμούς laser με θετικό chirp και αέριους στόχους He, επιτεύχθηκε έλεγχος της μέγιστης κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων σε τιμές έως και 60% παραπάνω σε σχέση με την αντίστοιχη για τους παλμούς laser μηδενικού chirp, γνωστοί και ως Fourier-transformed-limited. Μέσω της υλοποίησης προσομοιώσεων τύπου particle-in-cell αποδείχθηκε ότι στην περίπτωση των παλμών laser με θετικό chirp επιτυγχάνεται η δημιουργία πιο ομοιόμορφων φυσαλίδων πλάσματος σε σχέση με τις υπόλοιπες περιπτώσεις, με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά η απόδοση της επιτάχυνσης των σχετικιστικών ηλεκτρονίων, το οποίο έρχεται σε συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις. Η μελέτη της εναλλαγής του chirp του παλμού του laser επεκτάθηκε και σε πολυ-ηλεκτρονικούς αέριους στόχους δείχνοντας ποιοτικά όμοια αποτελέσματα με την περίπτωση του He, αλλά παράλληλα τονίζοντας τις διαφορές που προκύπτουν λόγων των επιπλέον μηχανισμών παγίδευσης των ηλεκτρονίων. Τέλος, η μελέτη του ρόλου των πολυ-ηλεκτρονικών αέριων στόχων ολοκληρώθηκε με τη διενέργεια ταυτόχρονων μετρήσεων σχετικιστικών ηλεκτρονίων και των αντίστοιχων ακτίνων-χ τύπου βήτατρον που παράγονται κατά την ταλάντωση των σχετικιστικών ηλεκτρονίων εντός των φυσαλίδων πλάσματος.