等离子体调制等离子体加速器中调制器的稳定性

我们探究了最近提出的激光等离子体加速器方案 [Phys. Rev. Lett. 127, 184801 (2021)]（称为等离子体调制等离子体加速器，P-MoPA）中调制器阶段的工作区间。P-MoPA 方案提供了一条通向高重复频率、GeV 量级等离子体加速器的潜在路径，其由例如千赫兹薄盘激光器发出的皮秒时长激光脉冲驱动。P-MoPA 方案的第一阶段是一个等离子体调制器，其中一长、高能量的“驱动”脉冲在等离子体通道中与由短、低能量的“种子”脉冲驱动的低振幅等离子体波共传播，从而被频谱调制。通过引入色散，被频谱调制的驱动脉冲被转换为一串短脉冲，其能以与调制器相同的轴上等离子体密度在后续加速器阶段中谐振驱动大尾场。在本文中，我们推导了驱动脉冲在等离子体调制器中演化的三维解析理论，并表明频谱调制与横向坐标无关，这有利于压缩成脉冲串。随后我们确认了一种横向模式不稳定性（TMI），类似于光纤激光器中观测到的 TMI，它为给定激光等离子体参数下驱动脉冲的能量设定了限制。我们将该解析理论与粒子在胞（PIC）模拟进行比较，发现即便比原始提案中所展示的更高能量的驱动脉冲也能被调制。