We report the generation of stable and tunable electron bunches with very low absolute energy spread ($\ensuremath{\Delta}E\ensuremath{\approx}5\text{ }\text{ }\mathrm{MeV}$) accelerated in laser wakefields via injection and trapping at a sharp downward density jump produced by a shock front in a supersonic gas flow. The peak of the highly stable and reproducible electron energy spectrum was tuned over more than 1 order of magnitude, containing a charge of 1--100 pC and a charge per energy interval of more than $10\text{ }\text{ }\mathrm{pC}/\mathrm{MeV}$. Laser-plasma electron acceleration with Ti:sapphire lasers using this novel injection mechanism provides high-quality electron bunches tailored for applications.

Relativistic laser–plasma interaction can produce nonthermal electron spectra in power-law scaling. The power-law index for near-critical density plasmas changes between 1.8 and 2.0 as the laser intensity varies from the relativistic threshold to the radiation-dominated regime. While effective temperature of electrons is strongly suppressed by radiation–radiation effect, it is found that the nonthermal power-laws are consistent between the radiation OFF and ON cases. It decreases to ∼1.4 as plasma density becomes over-critical. Similar to electrons, proton energy spectra also exhibit power-law distribution characteristics. As the laser intensity increases, the power-law index stabilizes around 1.6. We find that most nonthermal electrons constituting the power-law spectrum are distributed at the edge of the plasma channel as well as outside the channel, which is less sensitive to the radiation-reaction. This work provides a new physical mechanism relating to cosmic ray acceleration mechanisms in astrophysical environments with a strong electromagnetic field generated by neutron stars, relativistic collisionless shocks, and so on.

High-intensity lasers are critical for exploring the laser–matter interactions. Here, we propose a scheme to enhance the light intensity of petawatt (PW) lasers. The scheme is based on a hollow solid plasma cone that is formed by the multiphoton ionization of PW lasers. The influence of the length and radius of the cone on laser intensity enhancement is systematically studied. After tight focusing by the plasma cone, the spot size is 1 × 1 μm2. Two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations predict an intensity enhancement of a laser pulse from 5.3×1021 to 5.5×1022 W/cm2—a ratio of 10. In addition, the focusing position of the laser can be either inside or outside the cone. Such powerful lasers can be used to increase the energy of gamma photons radiated in laser solid–target interactions. PIC simulations reveal that compared with the case without a plasma cone, both the maximum energy and yield of gamma photons are increased significantly. As plasma is robust and resistant to damage at high intensities, the plasma cone should be used as a complementary optical element to achieve higher laser intensity on existing PW laser facilities.

Abstract Proton acceleration in a near-critical-density gas driven by a light spring (LS) pulse with a helical structure in its intensity profile is investigated using three-dimensional particle-in-cell simulations. Compared with other pulse modes with the same laser power, such as the Gaussian pulse or the donut Laguerre–Gaussian (LG) pulse, the LS structure significantly enhances the peak intensity and drives a stronger longitudinal acceleration field and transverse focusing field. Both the high intensity and helical structure of the LS pulse contribute to the formation of a bubble-like structure with a fine electron column on the axis, which is critical for stable proton acceleration. Therefore, it is very promising to obtain ultra-high-energy protons using LS pulses with a relatively lower power. For example, by using LS pulses with the same power of 4.81 PW, the proton in the gas can be accelerated up to 8.7 GeV, and the witness proton can be accelerated to 10.6 GeV from 0.11 GeV, which shows the overwhelming advantage over the Gaussian and LG pulse cases.