Direct laser acceleration of electrons: energy gain optimization and application to gamma-ray sources and pair plasmas

March 16, 2026

Esta tese estuda a aceleração direta por laser (DLA) de eletrões em plasmas subdensos, otimizando este mecanismo para produzir feixes de eletrões multi-GeV de carga elevada, aptos para produção de raios-gamma, neutrões e plasmas eletrão-positrão. Em DLA, os eletrões oscilam num canal de plasma enquanto interagem continuamente com o laser, adquirindo energias elevadas e possibilitando que centenas de nanocoulombs atinjam energias relativísticas. Este trabalho combina teoria analítica, modelos em partículas-teste e simulações partícula-na-célula quasi-3D de grande escala. O método quasi-3D torna a propagação rastreável durante vários milímetros preservando a física tridimensional essencial, permitindo estudar sistematicamente variações no tamanho e potência do laser e densidade. Uma contribuição central é uma nova lei de escala para a energia máxima alcançável em DLA. É mostrado que a aceleração ótima acontece quando os eletrões oscilam com uma distância ao eixo do canal ressonante específica, maximizando a interação mantida com os campos transversos do laser. Isto origina uma condição de focagem ótima envolvendo o tamanho e potência do laser e a densidade. As simulações mostram que lasers de 10-PW podem acelerar eletrões até ≈8 GeV com eficiências de conversão de dezenas de porcento. A tese estende a teoria de DLA para perfis de densidade suaves, presentes em condições experimentais. Uma nova invariante aproximada é encontrada, permitindo a previsão da energia máxima apesar da densidade variar. Afinando a densidade, a distância de aceleração e as perdas por arrefecimento radiativo diminuem. Finalmente, o trabalho explora a radiação secundária e produção de partículas. Os eletrões de DLA geram raios-gamma brilhantes e colimados através de emissões betatrão, cujas energias críticas previstas analiticamente são compatíveis com as simulações para regimes entre 100-TW e 10-PW. Duas vias para produção de positrões são demonstradas: produção Bethe-Heitler com recurso a um alvo de Z elevado, e um esquema simples usando um único laser no regime de QED de campo forte. Em geral, esta tese afirma DLA como um poderoso método para obter de eletrões multi-GeV, raios gamma brilhantes e plasmas eletrão-positrão relativísticos, oferecendo uma base para futuras experiências multi-PW. This thesis investigates direct laser acceleration (DLA) of electrons in underdense plasmas and demonstrates how to optimize the mechanism to produce multi-GeV, high-charge electron beams for applications such as gammaray generation, neutron production, and laboratory pair-plasma studies. In DLA, electrons oscillate within a plasma channel while continuously interacting with the laser field, enabling substantial energy transfer and allowing hundreds of nanocoulombs of charge to reach relativistic energies. The work combines analytical theory, test-particle models, and large-scale quasi-3D particle-in-cell simulations. The quasi-3D method makes multi-millimeter propagation tractable while retaining essential three-dimensional laser dynamics, allowing systematic scans of density, spot size, and laser power. A key contribution is a new scaling law predicting the maximum electron energy attainable by DLA. The analysis shows that optimal acceleration occurs when electrons oscillate at a specific resonant displacement from the channel axis, maximizing sustained interaction with the laser’s transverse field. This leads to an optimal focusing condition that ties laser power, focal spot, and plasma density together. Simulations indicate that 10-PW lasers can drive electrons to ≈8 GeV with conversion efficiencies of tens of percent. The thesis further extends DLA theory to smoothly varying plasma density profiles typical of experimental conditions. A new approximate invariant is identified, enabling prediction of the maximum energy even when the density evolves. Density tailoring is shown to reduce acceleration length and mitigate radiation-reaction losses at extreme energies. Finally, the work explores secondary radiation and particle production. DLA electrons generate bright, collimated gamma rays via betatron emission, with analytically predicted critical energies matching simulations from 100-TW to 10-PW regimes. Two positron-generation pathways are demonstrated: Bethe–Heitler production using high-Z targets and a simple single-laser scheme reaching the strong-field QED regime. Overall, the thesis establishes DLA as a powerful method for producing multi-GeV electrons, brilliant gamma-ray beams, and relativistic pair plasmas, offering a comprehensive framework for future multi-petawatt experiments.

Authors in the community:

• 

  R

  Róbert Babjak

  ist198907

  Affiliations and sources

  IST > IPFN

  Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear

Supervisors of this institution:

• 

  M

  Marija Vranic

  ist90377

101646836

Doutoramento em Física

physical-sciences - Physical sciences

Keywords

• direct laser acceleration
• particle-in-cell simulations
• gamma-ray source
• electron-positron pair plasma
• strong-field QED
• aceleração direta por laser
• simulações particle-in-cell
• fonte de raios gama
• plasma de pares eletrão-positrão
• QED de campo forte

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: Radia-on genera-on with ultra-intense lasers: towards photon beams for applica-on in medical and biological imaging

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Funding Stream: PhD scholarship

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: UI/BD/151560/2021