Stability of the modulator in a plasma-modulated plasma accelerator.
Stability of the modulator in a plasma-modulated plasma accelerator.
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等离子体调制等离子体加速器中调制器的稳定性。
DOI：
10.1103/physreve.108.015204
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Van De Wetering JJ
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Van De Wetering JJ
我们探讨了最近提出的激光等离子体加速器计划的调制器阶段的操作制度[物理评论快报。127，184801（2021）0031-900710.1103/PhysRevLett.127.184801]，被称为等离子体调制等离子体加速器（P-MoPA）。P-MoPA方案提供了一种潜在的途径，以高重复率，GeV级等离子体加速器驱动的皮秒持续时间的激光脉冲，例如，千赫薄盘激光器。P-MoPA方案的第一阶段是等离子体调制器，其中长的高能量“驱动”脉冲通过在等离子体通道中与由短的低能量“种子”脉冲驱动的低振幅等离子体波共同传播而被光谱调制。通过引入色散，光谱调制的驱动脉冲被转换成一串短脉冲，这可以在具有与调制器相同的轴上等离子体密度的后续加速器级中共振地驱动大的韦克菲尔德。本文推导了等离子体调制器中驱动脉冲演化的三维解析理论，并证明了光谱调制与横坐标无关，这对于压缩成脉冲串是理想的。然后，我们确定了一个横模不稳定性（TMI），类似于在光纤激光器中观察到的TMI，它为一组给定的激光等离子体参数的驱动脉冲的能量设置了限制。我们将此分析理论与粒子模拟（PIC）进行了比较，发现甚至可以调制比原始提案中所示的更高能量的驱动脉冲。
We explore the regime of operation of the modulator stage of a recently proposed laser-plasma accelerator scheme [Phys. Rev. Lett. 127, 184801 (2021)0031-900710.1103/PhysRevLett.127.184801], dubbed the plasma-modulated plasma accelerator (P-MoPA). The P-MoPA scheme offers a potential route to high-repetition-rate, GeV-scale plasma accelerators driven by picosecond-duration laser pulses from, for example, kilohertz thin-disk lasers. The first stage of the P-MoPA scheme is a plasma modulator in which a long, high-energy “drive” pulse is spectrally modulated by copropagating in a plasma channel with the low-amplitude plasma wave driven by a short, low-energy “seed” pulse. The spectrally modulated drive pulse is converted to a train of short pulses, by introducing dispersion, which can resonantly drive a large wakefield in a subsequent accelerator stage with the same on-axis plasma density as the modulator. In this paper we derive the 3D analytic theory for the evolution of the drive pulse in the plasma modulator and show that the spectral modulation is independent of transverse coordinate, which is ideal for compression into a pulse train. We then identify a transverse mode instability (TMI), similar to the TMI observed in optical fiber lasers, which sets limits on the energy of the drive pulse for a given set of laser-plasma parameters. We compare this analytic theory with particle-in-cell (PIC) simulations and find that even higher energy drive pulses can be modulated than those demonstrated in the original proposal.
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