Betratron oscillations of electrons driven through a plasma by a high-intensity laser generate coherent X-rays. A new study demonstrates the intensity of these X-rays can be as bright as that generated by conventional third-generation synchrotrons, in a device a fraction of the size and cost. Each successive generation of X-ray machines has opened up new frontiers in science, such as the first radiographs and the determination of the structure of DNA. State-of-the-art X-ray sources can now produce coherent high-brightness X-rays of greater than kiloelectronvolt energy and promise a new revolution in imaging complex systems on nanometre and femtosecond scales. Despite the demand, only a few dedicated synchrotron facilities exist worldwide, in part because of the size and cost of conventional (accelerator) technology1. Here we demonstrate the use of a new generation of laser-driven plasma accelerators2, which accelerate high-charge electron beams to high energy in short distances3,4,5, to produce directional, spatially coherent, intrinsically ultrafast beams of hard X-rays. This reduces the size of the synchrotron source from the tens of metres to the centimetre scale, simultaneously accelerating and wiggling the electron beam. The resulting X-ray source is 1,000 times brighter than previously reported plasma wigglers6,7 and thus has the potential to facilitate a myriad of uses across the whole spectrum of light-source applications.

The dynamics of energetic particles in strong electromagnetic fields can be heavily influenced by the energy loss arising from the emission of radiation during acceleration, known as radiation reaction. When interacting with a high-energy electron beam, today's lasers are sufficiently intense to explore the transition between the classical and quantum radiation reaction regimes. We present evidence of radiation reaction in the collision of an ultrarelativistic electron beam generated by laser-wakefield acceleration (ϵ>500 MeV) with an intense laser pulse (a0>10). We measure an energy loss in the postcollision electron spectrum that is correlated with the detected signal of hard photons (γ rays), consistent with a quantum description of radiation reaction. The generated γ rays have the highest energies yet reported from an all-optical inverse Compton scattering scheme, with critical energy ϵcrit>30 MeV.2 MoreReceived 21 July 2017Revised 9 December 2017DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011020Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article's title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasGamma-ray generation in plasmasHigh intensity laser-plasma interactionsLaser wakefield accelerationQuantum electrodynamicsUltrafast opticsPlasma PhysicsAccelerators & BeamsAtomic, Molecular & OpticalParticles & Fields

Abstract Electron–positron pair plasmas represent a unique state of matter, whereby there exists an intrinsic and complete symmetry between negatively charged (matter) and positively charged (antimatter) particles. These plasmas play a fundamental role in the dynamics of ultra-massive astrophysical objects and are believed to be associated with the emission of ultra-bright gamma-ray bursts. Despite extensive theoretical modelling, our knowledge of this state of matter is still speculative, owing to the extreme difficulty in recreating neutral matter–antimatter plasmas in the laboratory. Here we show that, by using a compact laser-driven setup, ion-free electron–positron plasmas with unique characteristics can be produced. Their charge neutrality (same amount of matter and antimatter), high-density and small divergence finally open up the possibility of studying electron–positron plasmas in controlled laboratory experiments.

Substantial energy loss in an electron beam passing through a high-intensity laser provides clear evidence of the radiation reaction, shedding light on how electrons interact with extreme electromagnetic fields.

We report on the generation of a narrow divergence (${\ensuremath{\theta}}_{\ensuremath{\gamma}}<2.5\text{ }\text{ }\mathrm{mrad}$), multi-MeV (${E}_{\mathrm{max}}\ensuremath{\approx}18\text{ }\text{ }\mathrm{MeV}$) and ultrahigh peak brilliance ($>1.8\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{20}\text{ }\text{ }\mathrm{photons}\text{ }{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}\text{ }{\mathrm{mm}}^{\ensuremath{-}2}\text{ }\text{ }{\mathrm{mrad}}^{\ensuremath{-}2}$ 0.1% BW) $\ensuremath{\gamma}$-ray beam from the scattering of an ultrarelativistic laser-wakefield accelerated electron beam in the field of a relativistically intense laser (dimensionless amplitude ${a}_{0}\ensuremath{\approx}2$). The spectrum of the generated $\ensuremath{\gamma}$-ray beam is measured, with MeV resolution, seamlessly from 6 to 18 MeV, giving clear evidence of the onset of nonlinear relativistic Thomson scattering. To the best of our knowledge, this photon source has the highest peak brilliance in the multi-MeV regime ever reported in the literature.

Laser-wakefield accelerators (LWFAs) were proposed more than three decades ago, and while they promise to deliver compact, high energy particle accelerators, they will also provide the scientific community with novel light sources. In a LWFA, where an intense laser pulse focused onto a plasma forms an electromagnetic wave in its wake, electrons can be trapped and are now routinely accelerated to GeV energies. From terahertz radiation to gamma-rays, this article reviews light sources from relativistic electrons produced by LWFAs, and discusses their potential applications. Betatron motion, Compton scattering and undulators respectively produce x-rays or gamma-rays by oscillating relativistic electrons in the wakefield behind the laser pulse, a counter-propagating laser field, or a magnetic undulator. Other LWFA-based light sources include bremsstrahlung and terahertz radiation. We first evaluate the performance of each of these light sources, and compare them with more conventional approaches, including radio frequency accelerators or other laser-driven sources. We have then identified applications, which we discuss in details, in a broad range of fields: medical and biological applications, military, defense and industrial applications, and condensed matter and high energy density science.

Abstract Laser-driven compact particle accelerators can provide ultrashort pulses of broadband X-rays, well suited for undertaking X-ray absorption spectroscopy measurements on a femtosecond timescale. Here the Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) features of the K-edge of a copper sample have been observed over a 250 eV window in a single shot using a laser wakefield accelerator, providing information on both the electronic and ionic structure simultaneously. This capability will allow the investigation of ultrafast processes, and in particular, probing high-energy-density matter and physics far-from-equilibrium where the sample refresh rate is slow and shot number is limited. For example, states that replicate the tremendous pressures and temperatures of planetary bodies or the conditions inside nuclear fusion reactions. Using high-power lasers to pump these samples also has the advantage of being inherently synchronised to the laser-driven X-ray probe. A perspective on the additional strengths of a laboratory-based ultrafast X-ray absorption source is presented.

While plasma-based accelerators have the potential to positively impact a broad range of research topics, a route to application will only be possible through improved understanding of their stability. We present experimental results of a laser wakefield accelerator in the nonlinear regime in a helium gas jet target with a density transition produced by a razor blade in the flow. Modifications to the target setup are correlated with variations in the plasma density profile diagnosed via interferometry and the shot-to-shot variations of the density profile for nominally equal conditions are characterized. Through an in-depth sensitivity study using particle-in-cell simulations, the effects of changes in the plasma density profile on the accelerated electron beams are investigated. The results suggest that blade motion is more detrimental to stability than gas pressure fluctuations, and that early focusing of the laser may reduce the deleterious effects of such density fluctuations. Published by the American Physical Society 2024

We report on an experimental observation of the streaking of betatron x rays in a curved laser wakefield accelerator. The streaking of the betatron x rays was realized by launching a laser pulse into a plasma with a transverse density gradient. By controlling the plasma density and the density gradient, we realized the steering of the laser driver, electron beam, and betatron x rays simultaneously. Moreover, we observed an energy-angle correlation of the streaked betatron x rays and utilized it in diagnosing the electron acceleration process in a single-shot mode. Our work could also find applications in advanced control of laser beam and particle propagation. More importantly, the angular streaked betatron x ray has an intrinsic spatiotemporal correlation, which makes it a promising tool for single-shot pump-probe applications.