The propagation of ultraintense laser pulses through matter is connected with the generation of strong moving magnetic fields in the propagation channel as well as the formation of a thin ion filament along the axis of the channel. Upon exiting the plasma the magnetic field displaces the electrons at the back of the target, generating a quasistatic electric field that accelerates and collimates ions from the filament. Two dimensional particle-in-cell simulations show that a 1 PW laser pulse tightly focused on a near-critical density target is able to accelerate protons up to an energy of 1.3 GeV. Scaling laws and optimal conditions for proton acceleration are established considering the energy depletion of the laser pulse.

1.
M.
Roth
,
T. E.
Cowan
,
M. H.
Key
,
S. P.
Hatchett
,
C.
Brown
,
W.
Fountain
,
J.
Johnson
,
D. M.
Pennington
,
R. A.
Snavely
,
S. C.
Wilks
,
K.
Yasuike
,
H.
Ruhl
,
F.
Pegoraro
,
S. V.
Bulanov
,
E. M.
Campbell
,
M. D.
Perry
, and
H.
Powell
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
436
(
2001
);
[PubMed]
V. Yu.
Bychenkov
,
W.
Rozmus
,
A.
Maksimchuk
,
D.
Umstadter
, and
C. E.
Capjack
,
Plasma Phys. Rep.
27
,
1017
(
2001
);
A.
Macchi
,
A.
Antonicci
,
S.
Atzeni
,
D.
Batani
,
F.
Califano
,
F.
Cornolti
,
J. J.
Honrubia
,
T. V.
Lisseikina
,
F.
Pegoraro
, and
M.
Temporal
,
Nucl. Fusion
43
,
362
(
2003
);
J. J.
Honrubia
,
J. C.
Fernández
,
M.
Temporal
,
B. M.
Hegelich
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
16
,
102701
(
2009
).
2.
S. V.
Bulanov
and
V. S.
Khoroshkov
,
Plasma Phys. Rep.
28
,
453
(
2002
);
E.
Fourkal
,
B.
Shahine
,
M.
Ding
,
J. S.
Li
,
T.
Tajima
, and
C. M.
Ma
,
Med. Phys.
29
,
2788
(
2002
);
[PubMed]
V.
Malka
,
S.
Fritzler
,
E.
Lefebvre
,
E.
d'Humieres
,
R.
Ferrand
,
G.
Grillon
,
C.
Albaret
,
S.
Meyroneinc
,
J. -P.
Chambaret
,
A.
Antonetti
, and
D.
Hulin
,
Med. Phys.
31
,
1587
(
2004
).
[PubMed]
3.
M.
Borghesi
,
J.
Fuchs
,
S. V.
Bulanov
,
A. J.
Mackinnon
,
P. K.
Patel
, and
M.
Roth
,
Fusion Sci. Technol.
49
,
412
(
2006
).
4.
K.
Krushelnick
,
E. L.
Clark
,
R.
Allott
,
F. N.
Beg
,
C. N.
Danson
,
A.
Machacek
,
V.
Malka
,
Z.
Najmudin
,
D.
Neely
,
P. A.
Norreys
,
M. R.
Salvati
,
M. I. K.
Santala
,
M.
Tatarakis
,
I.
Watts
,
M.
Zepf
, and
A. E.
Dangor
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
28
,
1184
(
2000
).
5.
A.
Maksimchuk
,
S.
Gu
,
K.
Flippo
,
D.
Umstadter
, and
V. Y.
Bychenkov
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4108
(
2000
);
[PubMed]
E. L.
Clark
,
K.
Krushelnick
,
J. R.
Davies
,
M.
Zepf
,
M.
Tatarakis
,
F. N.
Beg
,
A.
Machacek
,
P. A.
Norreys
,
M. I. K.
Santala
,
I.
Watts
, and
A. E.
Dangor
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
670
(
2000
);
[PubMed]
R. A.
Snavely
,
M. H.
Key
,
S. P.
Hatchett
,
T. E.
Cowan
,
M.
Roth
,
T. W.
Phillips
,
M. A.
Stoyer
,
E. A.
Henry
,
T. C.
Sangster
,
M. S.
Singh
,
S. C.
Wilks
,
A.
MacKinnon
,
A.
Offenberger
,
D. M.
Pennington
,
K.
Yasuike
,
A. B.
Langdon
,
B. F.
Lasinski
,
J.
Johnson
,
M. D.
Perry
, and
E. M.
Campbell
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2945
(
2000
).
[PubMed]
6.
L.
Willingale
,
S. P. D.
Mangles
,
P.
Nilson
,
Z.
Najmudin
,
M. S.
Wei
,
A. G. R.
Thomas
,
M.
Kaluza
,
A. E.
Dangor
,
K. L.
Lancaster
,
R. J.
Clarke
,
S.
Karsch
,
J.
Schreiber
,
M.
Tatarakis
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
245002
(
2006
);
[PubMed]
L.
Willingale
,
S. R.
Nagel
,
A. G. R.
Thomas
,
C.
Bellei
,
R. J.
Clarke
,
A. E.
Dangor
,
R.
Heathcote
,
M. C.
Kaluza
,
C.
Kamperidis
,
S.
Kneip
,
K.
Krushelnick
,
N.
Lopes
,
S. P. D.
Mangles
,
W.
Nazarov
,
P. M.
Nilson
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
125002
(
2009
).
[PubMed]
7.
T.
Esirkepov
,
Y.
Sentoku
,
K.
Mima
,
K.
Nishihara
,
F.
Califano
,
F.
Pegoraro
,
N.
Naumova
,
S.
Bulanov
,
Y.
Ueshima
,
T.
Liseikina
,
V.
Vshivkov
, and
Y.
Kato
,
JETP Lett.
70
,
82
(
1999
);
A. M.
Pukhov
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
3562
(
2001
);
[PubMed]
Y.
Sentoku
,
V. Y.
Bychenkov
,
K.
Flippo
,
A.
Maksimchuk
,
K.
Mima
,
G.
Mourou
,
Z. M.
Sheng
, and
D.
Umstadter
,
Appl. Phys. B: Lasers Opt.
74
,
207
(
2002
);
A. J.
Mackinnon
,
Y.
Sentoku
,
P. K.
Patel
,
D. W.
Price
,
S.
Hatchett
,
M. H.
Key
,
C.
Andersen
,
R.
Snavely
, and
R. R.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
215006
(
2002
).
[PubMed]
8.
S. V.
Bulanov
,
N. M.
Naumova
,
T. Zh.
Esirkepov
,
F.
Califano
,
Y.
Kato
,
T. V.
Liseikina
,
K.
Mima
,
K.
Nishihara
,
Y.
Sentoku
,
F.
Pegoraro
,
H.
Ruhl
, and
Y.
Ueshima
,
JETP Lett.
71
,
407
(
2000
);
H.
Ruhl
,
S. V.
Bulanov
,
T. E.
Cowan
,
T. V.
Liseikina
,
P.
Nickles
,
F.
Pegoraro
,
M.
Roth
, and
W.
Sandner
,
Plasma Phys. Rep.
27
,
363
(
2001
).
9.
S. C.
Wilks
,
A. B.
Langdon
,
T. E.
Cowan
,
M.
Roth
,
M.
Singh
,
S.
Hatchett
,
M. H.
Key
,
D.
Pennington
,
A.
MacKinnon
, and
R. A.
Snavely
,
Phys. Plasmas
8
,
542
(
2001
).
10.
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
V. S.
Khoroshkov
,
A. V.
Kuznetsov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Lett. A
299
,
240
(
2002
);
E.
Fourkal
,
I.
Velchev
, and
C. -M.
Ma
,
Phys. Rev. E
71
,
036412
(
2005
).
11.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
12.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
,
K. J.
Bowers
,
K. A.
Flippo
,
T. J. T.
Kwan
, and
J. C.
Fernández
,
Phys. Plasmas
14
,
056706
(
2007
).
13.
I.
Velchev
,
E.
Fourkal
, and
C. -M.
Ma
,
Phys. Plasmas
14
,
033106
(
2007
).
14.
S. S.
Bulanov
,
A.
Brantov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalinchenko
,
T.
Matsuoka
,
P.
Rousseau
,
S.
Reed
,
V.
Yanovsky
,
D. W.
Litzenberg
, and
A.
Maksimchuk
,
Med. Phys.
35
,
1770
(
2008
).
15.
S. S.
Bulanov
,
A.
Brantov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalinchenko
,
T.
Matsuoka
,
P.
Rousseau
,
V.
Yanovsky
,
D. W.
Litzenberg
,
K.
Krushelnick
, and
A.
Maksimchuk
,
Phys. Rev. E
78
,
026412
(
2008
).
16.
A. V.
Kuznetsov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
F. F.
Kamenets
, and
S. V.
Bulanov
,
Fiz. Plazmy
27
,
225
(
2001
)
A. V.
Kuznetsov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
F. F.
Kamenets
, and
S. V.
Bulanov
, [
Plasma Phys. Rep.
27
,
211
(
2001
)].
17.
Y.
Sentoku
,
T. V.
Liseikina
,
T. Zh.
Esirkepov
,
F.
Califano
,
N. M.
Naumova
,
Y.
Ueshima
,
V. A.
Vshivkov
,
Y.
Kato
,
K.
Mima
,
K.
Nishihara
,
F.
Pegoraro
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. E
62
,
7271
(
2000
).
18.
K.
Matsukado
,
T.
Esirkepov
,
K.
Kinoshita
,
H.
Daido
,
T.
Utsumi
,
Z.
Li
,
A.
Fukumi
,
Y.
Hayashi
,
S.
Orimo
,
M.
Nishiuchi
,
S. V.
Bulanov
,
T.
Tajima
,
A.
Noda
,
Y.
Iwashita
,
T.
Shirai
,
T.
Takeuchi
,
S.
Nakamura
,
A.
Yamazaki
,
M.
Ikegami
,
T.
Mihara
,
A.
Morita
,
M.
Uesaka
,
K.
Yoshii
,
T.
Watanabe
,
T.
Hosokai
,
A.
Zhidkov
,
A.
Ogata
,
Y.
Wada
, and
T.
Kubota
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
215001
(
2003
).
19.
A.
Yogo
,
H.
Daido
,
S. V.
Bulanov
,
K.
Nemoto
,
Y.
Oishi
,
T.
Nayuki
,
T.
Fujii
,
K.
Ogura
,
S.
Orimo
,
A.
Sagisaka
,
J. -L.
Ma
,
T. Zh.
Esirkepov
,
M.
Mori
,
M.
Nishiuchi
,
A. S.
Pirozhkov
,
S.
Nakamura
,
A.
Noda
,
H.
Nagatomo
,
T.
Kimura
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. E
77
,
016401
(
2008
).
20.
Y.
Fukuda
,
A. Ya.
Faenov
,
M.
Tampo
,
T. A.
Pikuz
,
T.
Nakamura
,
M.
Kando
,
Y.
Hayashi
,
A.
Yogo
,
H.
Sakaki
,
T.
Kameshima
,
A. S.
Pirozhkov
,
K.
Ogura
,
M.
Mori
,
T. Zh.
Esirkepov
,
J.
Koga
,
A. S.
Boldarev
,
V. A.
Gasilov
,
A. I.
Magunov
,
T.
Yamauchi
,
R.
Kodama
,
P. R.
Bolton
,
Y.
Kato
,
T.
Tajima
,
H.
Daido
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
165002
(
2009
).
21.
G.
Mourou
,
Z.
Chang
,
A.
Maksimchuk
,
J.
Nees
,
S. V.
Bulanov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
N. M.
Naumova
,
F.
Pegoraro
, and
H.
Ruhl
,
Plasma Phys. Rep.
28
,
12
(
2002
).
22.
T. Zh.
Esirkepov
,
Comput. Phys. Commun.
135
,
144
(
2001
).
23.
A.
Zhidkov
,
J.
Koga
,
A.
Sasaki
, and
M.
Uesaka
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
185002
(
2002
);
[PubMed]
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
J.
Koga
, and
T.
Tajima
,
Plasma Phys. Rep.
30
,
18
(
2004
);
J.
Koga
,
T. Zh.
Esirkepov
, and
S.
Bulanov
,
Phys. Plasmas
12
,
093106
(
2005
).
24.
M.
Kando
,
Y.
Fukuda
,
H.
Kotaki
,
J.
Koga
,
S. V.
Bulanov
,
T.
Tajima
,
A.
Chao
,
R.
Pitthan
,
K. -P.
Schuler
,
A. G.
Zhidkov
, and
K.
Nemoto
,
JETP
105
,
916
(
2007
).
25.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Electrodynamics of Continuous Media
(
Pergamon
,
Oxford
,
1984
).
26.
V. A.
Vshivkov
,
N. M.
Naumova
,
F.
Pegoraro
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Plasmas
5
,
2727
(
1998
).
27.
T.
Esirkepov
,
M.
Yamagiwa
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
105001
(
2006
).
28.
A.
Henig
,
D.
Kiefer
,
K.
Markey
,
D. C.
Gautier
,
K. A.
Flippo
,
S.
Letzring
,
R. P.
Johnson
,
T.
Shimada
,
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
K. J.
Bowers
,
J. C.
Fernandez
,
S. G.
Rykovanov
,
H. -C.
Wu
,
M.
Zepf
,
D.
Jung
,
V. Kh.
Liechtenstein
,
J.
Schreiber
,
D.
Habs
, and
B. M.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
045002
(
2009
).
You do not currently have access to this content.