- Open Access
High-Flux X-Ray Emission due to Injection into a Laser-Wakefield Accelerator beyond Its Depletion Length
Phys. Rev. Lett. 137, 105001 – Published 3 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/krsl-322s
Abstract
Laser wakefield accelerators are bright, compact sources of synchrotronlike x-rays. By driving the wakefield using a 110 TW laser in a variable length gas cell, we are able to map the evolution of the electron beam and resulting x-ray emission. We find that using a laser pulse initially focused to larger than the matched spot size and extending the plasma length beyond the depletion length, dramatically increases the x-ray flux. Self-injected electrons are initially accelerated to , emitting x-rays with critical energy . But, as these electrons dephase, a second high-charge electron bunch is produced and accelerated to . The x-rays produced by this bunch dominate the total emission with photons per shot with and a flux of . Combining electron and x-ray measurements reveals that the increased emission results from the larger betatron amplitude of the secondary bunch. Simulations attribute this to rapid bubble expansion driven by laser compression over the depletion length, which leads to injection of a high-charge electron bunch with increased transverse momentum and thus stronger betatron radiation.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
Supplemental Material
References (82)
- J. P. Marangos, Phil. Trans. R. Soc. A 377, 20170481 (2019).
- M. D. Perry, J. A. Sefcik, T. Cowan, S. Hatchett, A. Hunt, M. Moran, D. Pennington, R. Snavely, and S. C. Wilks, Rev. Sci. Instrum. 70, 265 (1999).
- C. Reich, P. Gibbon, I. Uschmann, and E. Förster, Phys. Rev. Lett. 84, 4846 (2000).
- R. D. Edwards, M. A. Sinclair, T. J. Goldsack, K. Krushelnick, F. N. Beg, E. L. Clark, A. E. Dangor, Z. Najmudin, M. Tatarakis, B. Walton, M. Zepf, K. W. D. Ledingham, I. Spencer, P. A. Norreys, R. J. Clarke, R. Kodama, Y. Toyama, and M. Tampo, Appl. Phys. Lett. 80, 2129 (2002).
- C. M. Brenner, S. R. Mirfayzi, D. R. Rusby, C. Armstrong, A. Alejo, L. A. Wilson, R. Clarke, H. Ahmed, N. M. H. Butler, D. Haddock, A. Higginson, A. McClymont, C. Murphy, M. Notley, P. Oliver, R. Allott, C. Hernandez-Gomez, S. Kar, P. McKenna, and D. Neely, Plasma Phys. Controlled Fusion 58, 014039 (2015).
- M. Ferray, A. L’Huillier, X. F. Li, L. A. Lompre, G. Mainfray, and C. Manus, J. Phys. B 21, L31 (1988).
- X. F. Li, A. L’Huillier, M. Ferray, L. A. Lompré, and G. Mainfray, Phys. Rev. A 39, 5751 (1989).
- J. Seres, E. Seres, A. J. Verhoef, G. Tempea, C. Streli, P. Wobrauschek, V. Yakovlev, A. Scrinzi, C. Spielmann, and F. Krausz, Nature (London) 433, 596 (2005).
- B. Dromey, S. Kar, C. Bellei, D. C. Carroll, R. J. Clarke, J. S. Green, S. Kneip, K. Markey, S. R. Nagel, P. T. Simpson, L. Willingale, P. McKenna, D. Neely, Z. Najmudin, K. Krushelnick, P. A. Norreys, and M. Zepf, Phys. Rev. Lett. 99, 085001 (2007).
- W. J. Brown, S. G. Anderson, C. P. J. Barty, S. M. Betts, R. Booth, J. K. Crane, R. R. Cross, D. N. Fittinghoff, D. J. Gibson, F. V. Hartemann, E. P. Hartouni, J. Kuba, G. P. Le Sage, D. R. Slaughter, A. M. Tremaine, A. J. Wootton, P. T. Springer, and J. B. Rosenzweig, Phys. Rev. ST Accel. Beams 7, 060702 (2004).
- S. G. Rykovanov, C. G. R. Geddes, J.-L. Vay, C. B. Schroeder, E. Esarey, and W. P. Leemans, J. Phys. B 47, 234013 (2014).
- H. Schwoerer, B. Liesfeld, H.-P. Schlenvoigt, K.-U. Amthor, and R. Sauerbrey, Phys. Rev. Lett. 96, 014802 (2006).
- N. D. Powers, I. Ghebregziabher, G. Golovin, C. Liu, S. Chen, S. Banerjee, and D. P. Umstadter, Nat. Photonics 8, 28 (2014).
- K. T. Phuoc, S. Corde, C. Thaury, V. Malka, A. Tafzi, J. P. Goddet, R. C. Shah, S. Sebban, and A. Rousse, Nat. Photonics 6, 308 (2012).
- T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979).
- E. Esarey, C. B. Schroeder, and W. P. Leemans, Rev. Mod. Phys. 81, 1229 (2009).
- A. Pukhov and J. Meyer-ter Vehn, Appl. Phys. B Lasers Opt. 74, 355 (2002).
- W. Lu, C. Huang, M. Zhou, W. B. Mori, and T. Katsouleas, Phys. Rev. Lett. 96, 165002 (2006).
- S. Kneip et al., Phys. Rev. Lett. 103, 035002 (2009).
- H. T. Kim, K. H. Pae, H. J. Cha, I. J. Kim, T. J. Yu, J. H. Sung, S. K. Lee, T. M. Jeong, and J. Lee, Phys. Rev. Lett. 111, 165002 (2013).
- X. Wang et al., Nat. Commun. 4, 1988 (2013).
- W. P. Leemans, A. J. Gonsalves, H.-S. Mao, K. Nakamura, C. Benedetti, C. B. Schroeder, C. Tóth, J. Daniels, D. E. Mittelberger, S. S. Bulanov, J.-L. Vay, C. G. R. Geddes, and E. Esarey, Phys. Rev. Lett. 113, 245002 (2014).
- A. J. Gonsalves et al., Phys. Rev. Lett. 122, 084801 (2019).
- S. Wang, C. E. Clayton, B. E. Blue, E. S. Dodd, K. A. Marsh, W. B. Mori, C. Joshi, S. Lee, P. Muggli, T. Katsouleas, F. J. Decker, M. J. Hogan, R. H. Iverson, P. Raimondi, D. Walz, R. Siemann, and R. Assmann, Phys. Rev. Lett. 88, 135004 (2002).
- A. Rousse, K. T. Phuoc, R. Shah, A. Pukhov, E. Lefebvre, V. Malka, S. Kiselev, F. Burgy, J.-P. Rousseau, D. Umstadter, and D. Hulin, Phys. Rev. Lett. 93, 135005 (2004).
- S. Kneip et al., Nat. Phys. 6, 980 (2010).
- S. Corde, K. Ta Phuoc, G. Lambert, R. Fitour, V. Malka, A. Rousse, A. Beck, and E. Lefebvre, Rev. Mod. Phys. 85, 1 (2013).
- J. M. Cole, J. C. Wood, N. C. Lopes, K. Poder, R. L. Abel, S. Alatabi, J. S. J. Bryant, A. Jin, S. Kneip, K. Mecseki, D. R. Symes, S. P. D. Mangles, and Z. Najmudin, Sci. Rep. 5, 13244 (2015).
- M. S. Bloom, M. J. V. Streeter, S. Kneip, R. A. Bendoyro, O. Cheklov, J. M. Cole, A. Döpp, C. J. Hooker, J. Holloway, J. Jiang, N. C. Lopes, H. Nakamura, P. A. Norreys, P. P. Rajeev, D. R. Symes, J. Schreiber, J. C. Wood, M. Wing, Z. Najmudin, and S. P. D. Mangles, Phys. Rev. Accel. Beams 23, 061301 (2020).
- K. T. Phuoc, S. Corde, R. Fitour, R. Shah, F. Albert, J.-P. Rousseau, F. Burgy, A. Rousse, V. Seredov, and A. Pukhov, Phys. Plasmas 15, 073106 (2008).
- F. Albert, K. T. Phuoc, R. Shah, S. Corde, R. Fitour, A. Tafzi, F. Burgy, D. Douillet, T. Lefrou, and A. Rousse, Plasma Phys. Controlled Fusion 50, 124008 (2008).
- K. T. Phuoc, R. Fitour, A. Tafzi, T. Garl, N. Artemiev, R. Shah, F. Albert, D. Boschetto, A. Rousse, D.-E. Kim, A. Pukhov, V. Seredov, and I. Kostyukov, Phys. Plasmas 14, 080701 (2007).
- S. Kneip, C. McGuffey, F. Dollar, M. S. Bloom, V. Chvykov, G. Kalintchenko, K. Krushelnick, A. Maksimchuk, S. P. D. Mangles, T. Matsuoka, Z. Najmudin, C. A. J. Palmer, J. Schreiber, W. Schumaker, A. G. R. Thomas, and V. Yanovsky, Appl. Phys. Lett. 99, 093701 (2011).
- S. Fourmaux, S. Corde, K. T. Phuoc, P. Lassonde, G. Lebrun, S. Payeur, F. Martin, S. Sebban, V. Malka, A. Rousse, and J. C. Kieffer, Opt. Lett. 36, 2426 (2011).
- J. Wenz, S. Schleede, K. Khrennikov, M. Bech, P. Thibault, M. Heigoldt, F. Pfeiffer, and S. Karsch, Nat. Commun. 6, 7568 (2015).
- J. M. Cole et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115, 6335 (2018).
- A. Döpp, L. Hehn, J. Götzfried, J. Wenz, M. Gilljohann, H. Ding, S. Schindler, F. Pfeiffer, and S. Karsch, Optica 5, 199 (2018).
- A. E. Hussein et al., Sci. Rep. 9, 3249 (2019).
- J.-N. Gruse et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 983, 164369 (2020).
- D. Guénot, K. Svendsen, J. B. Svensson, H. Ekerfelt, A. Persson, O. Lundh, and E. Berrocal, Optica 7, 131 (2020).
- A. Doherty, S. Fourmaux, R. Astolfo, A. amd Ziesche, J. Wood, O. Finlay, W. Stolp, D. Batey, I. Manke, F. Légaré, M. Boone, D. Symes, Z. Najmudin, M. Endrizzi, A. Olivo, and S. Cipiccia, Commun. Phys. 6, 288 (2023).
- J. C. Wood et al., Sci. Rep. 8, 11010 (2018).
- F. Albert and A. G. R. Thomas, Plasma Phys. Controlled Fusion 58, 103001 (2016).
- M. Šmíd, I. Gallardo González, H. Ekerfelt, J. Björklund Svensson, M. Hansson, J. C. Wood, A. Persson, S. P. D. Mangles, O. Lundh, and K. Falk, Rev. Sci. Instrum. 88, 063102 (2017).
- B. Mahieu, N. Jourdain, K. Ta Phuoc, F. Dorchies, J. P. Goddet, A. Lifschitz, P. Renaudin, and L. Lecherbourg, Nat. Commun. 9, 3276 (2018).
- B. Kettle et al., Phys. Rev. Lett. 123, 254801 (2019).
- B. Kettle et al., Commun. Phys. 7, 247 (2024).
- W. Lu, M. Tzoufras, C. Joshi, F. S. Tsung, W. B. Mori, J. Vieira, R. A. Fonseca, and L. O. Silva, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 061301 (2007).
- P. Foster, M. Streeter, J. Green, F. Cameron, C. Spindloe, G. Schumann, M. Tolley, R. Clarke, J. Collier, D. Neely, E. Divall, D. Neville, P. Rice, R. Bickerton, S. Blake, P. Holligan, P. Brumitt, and P. P. Rajeev, in The European Conference on Lasers and Electro-Optics (Optica Publishing Group, Washington DC, 2009), p. CG_P12.
- O. Kononenko, N. Lopes, J. Cole, C. Kamperidis, S. Mangles, Z. Najmudin, J. Osterhoff, K. Poder, D. Rusby, D. Symes, J. Warwick, J. Wood, and C. Palmer, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 829, 125 (2016).
- R. Luo, G. R. Christian, M. P. Backhouse, N. C. Lopes, S. S. Alatabi, M. S. Bloom, M. Maier, and Z. Najmudin, High Power Laser Sci. Eng. 13, e95 (2025).
- I. Glatt and O. Kafri, Opt. Lasers Eng. 8, 277 (1988).
- B. Pollock et al., in Particle Accelerator Conference (PAC 09) (JaCoW, Geneva, Switzerland, 2010), p. WE6RFP101.
- K. Põder, J. C. Wood, N. C. Lopes, J. M. Cole, S. Alatabi, M. P. Backhouse, P. S. Foster, A. J. Hughes, C. Kamperidis, O. Kononenko, S. P. D. Mangles, C. A. J. Palmer, D. Rusby, A. Sahai, G. Sarri, D. R. Symes, J. R. Warwick, and Z. Najmudin, Phys. Rev. Lett. 132, 195001 (2024).
- K. A. Tanaka, T. Yabuuchi, T. Sato, R. Kodama, Y. Kitagawa, T. Takahashi, T. Ikeda, Y. Honda, and S. Okuda, Rev. Sci. Instrum. 76, 013507 (2004).
- K. Zeil, S. D. Kraft, A. Jochmann, F. Kroll, W. Jahr, U. Schramm, L. Karsch, J. Pawelke, B. Hidding, and G. Pretzler, Rev. Sci. Instrum. 81, 013307 (2010).
- E. Esarey, B. A. Shadwick, P. Catravas, and W. P. Leemans, Phys. Rev. E 65, 056505 (2002).
- S. Fourmaux, S. Corde, K. T. Phuoc, P. M. Leguay, S. Payeur, P. Lassonde, S. Gnedyuk, G. Lebrun, C. Fourment, V. Malka, S. Sebban, A. Rousse, and J. C. Kieffer, New J. Phys. 13, 033017 (2011).
- A. G. R. Thomas, Phys. Plasmas 17, 056708 (2010).
- See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/krsl-322s for further information on the x-ray spectral measurements and additional analysis of the simulation.
- M. J. V. Streeter, S. Kneip, M. S. Bloom, R. A. Bendoyro, O. Chekhlov, A. E. Dangor, A. Döpp, C. J. Hooker, J. Holloway, J. Jiang, N. C. Lopes, H. Nakamura, P. A. Norreys, C. A. J. Palmer, P. P. Rajeev, J. Schreiber, D. R. Symes, S. P. D. Wing, S. Mangles, and Z. Najmudin, Phys. Rev. Lett. 120, 254801 (2018).
- C. D. Decker, W. B. Mori, K. Tzeng, and T. Katsouleas, Phys. Plasmas 3, 2047 (1996).
- M. Heigoldt, A. Popp, K. Khrennikov, J. Wenz, S. W. Chou, S. Karsch, S. I. Bajlekov, S. M. Hooker, and B. Schmidt, Phys. Rev. ST Accel. Beams 18, 121302 (2015).
- F. Fang, C. E. Clayton, K. A. Marsh, A. E. Pak, J. E. Ralph, N. C. Lopes, and C. Joshi, Plasma Phys. Controlled Fusion 51, 024003 (2009).
- S. Kalmykov, S. A. Yi, V. Khudik, and G. Shvets, Phys. Rev. Lett. 103, 135004 (2009).
- A. Sävert, S. P. D. Mangles, M. Schnell, E. Siminos, J. M. Cole, M. Leier, M. Reuter, M. B. Schwab, M. Möller, K. Poder, O. Jäckel, G. G. Paulus, C. Spielmann, S. Skupin, Z. Najmudin, and M. C. Kaluza, Phys. Rev. Lett. 115, 055002 (2015).
- J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, New York, 1999), 3rd ed.
- A. G. Khachatryan, A. Irman, F. A. van Goor, and K.-J. Boller, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 121301 (2007).
- S. Cipiccia et al., Nat. Phys. 7, 867 (2011).
- W. Yan, L. Chen, D. Li, L. Zhang, N. a. M. Hafz, J. Dunn, Y. Ma, K. Huang, L. Su, M. Chen, Z. Sheng, and J. Zhang, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 5825 (2014).
- S. Fourmaux, K. Otani, A. Saraf, S. MacLean, M. J. Wesolowski, P. S. Babyn, E. Hallin, A. Krol, and J. C. Kieffer, in Relativistic Plasma Waves and Particle Beams as Coherent and Incoherent Radiation Sources, edited by D. A. Jaroszynski, International Society for Optics and Photonics (SPIE, Bellingham, Washington, USA, 2015), Vol. 9509, p. 950907, 10.1117/12.2087603.
- A. Döpp, B. Mahieu, A. Lifschitz, C. Thaury, A. Doche, E. Guillaume, G. Grittani, O. Lundh, M. Hansson, J. Gautier, M. Kozlova, J.-P. Goddet, P. Rousseau, A. Tafzi, V. Malka, A. Rousse, S. Corde, and K. Ta Phuoc, Light Sci. Appl. 6, e17086 (2017).
- F. Albert, N. Lemos, J. L. Shaw, B. B. Pollock, C. Goyon, W. Schumaker, A. M. Saunders, K. A. Marsh, A. Pak, J. E. Ralph, J. L. Martins, L. D. Amorim, R. W. Falcone, S. H. Glenzer, J. D. Moody, and C. Joshi, Phys. Rev. Lett. 118, 134801 (2017).
- C. F. Dong, T. Z. Zhao, K. Behm, P. G. Cummings, J. Nees, A. Maksimchuk, V. Yanovsky, K. Krushelnick, and A. G. R. Thomas, Phys. Rev. Accel. Beams 21, 041303 (2018).
- R. Rakowski, P. Zhang, K. Jensen, B. Kettle, T. Kawamoto, S. Banerjee, C. Fruhling, G. Golovin, D. Haden, M. S. Robinson, D. Umstadter, B. A. Shadwick, and M. Fuchs, Sci. Rep. 12, 10855 (2022).
- R. Lehe, M. Kirchen, I. A. Andriyash, B. B. Godfrey, and J.-L. Vay, Comput. Phys. Commun. 203, 66 (2016).
- S. Y. Kalmykov, A. Beck, S. A. Yi, V. N. Khudik, M. C. Downer, E. Lefebvre, B. A. Shadwick, and D. P. Umstadter, Phys. Plasmas 18, 056704 (2011).
- F. S. Tsung, C. Ren, L. O. Silva, W. B. Mori, and T. Katsouleas, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 29 (2002).
- J. Faure, Y. Glinec, J. J. Santos, F. Ewald, J.-P. Rousseau, S. Kiselev, A. Pukhov, T. Hosokai, and V. Malka, Phys. Rev. Lett. 95, 205003 (2005).
- J. Götzfried, A. Döpp, M. F. Gilljohann, F. M. Foerster, H. Ding, S. Schindler, G. Schilling, A. Buck, L. Veisz, and S. Karsch, Phys. Rev. X 10, 041015 (2020).
- Y. Ma et al., Phys. Rev. X 15, 031062 (2025).
- S. Kneip, S. R. Nagel, C. Bellei, N. Bourgeois, A. E. Dangor, A. Gopal, R. Heathcote, S. P. D. Mangles, J. R. Marquès, A. Maksimchuk, P. M. Nilson, K. T. Phuoc, S. Reed, M. Tzoufras, F. S. Tsung, L. Willingale, W. B. Mori, A. Rousse, K. Krushelnick, and Z. Najmudin, Phys. Rev. Lett. 100, 105006 (2008).