Experiments were performed using the Omega EP laser, which provided pulses containing 1kJ of energy in 9ps and was used to investigate high-power, relativistic intensity laser interactions with near-critical density plasmas, created from foam targets with densities of 3–100 mg/cm3. The effect of changing the plasma density on both the laser light transmitted through the targets and the proton beam accelerated from the interaction was investigated. Two-dimensional particle-in-cell simulations enabled the interaction dynamics and laser propagation to be studied in detail. The effect of the laser polarization and intensity in the two-dimensional simulations on the channel formation and electron heating are discussed. In this regime, where the plasma density is above the critical density, but below the relativistic critical density, the channel formation speed and therefore length are inversely proportional to the plasma density, which is faster than the hole boring model prediction. A general model is developed to describe the channel length in this regime.

1.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
2.
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]
A.
Maksimchuk
,
S.
Gu
,
K.
Flippo
,
D.
Umstadter
, and
V. Yu.
Bychenkov
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4108
(
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]
3.
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
).
4.
M.
Borghesi
,
A. J.
MacKinnon
,
L.
Barringer
,
R.
Gaillard
,
L. A.
Gizzi
,
C.
Meyer
,
O.
Willi
,
A.
Pukhov
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
879
(
1997
).
5.
J.
Fuchs
,
G.
Malka
,
J. C
Adams
,
F.
Amiranoff
,
S. D.
Baton
,
N.
Blanchot
,
A.
Héron
,
G.
Laval
,
J. L.
Miquel
,
P.
Mora
,
H.
Pépin
, and
C.
Rousseaux
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1658
(
1998
).
6.
G. S.
Sarkisov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
V. N.
Novikov
,
V. T.
Tikhonchuk
,
A.
Maksimchuk
,
S.-Y.
Chen
,
R.
Wagner
,
G.
Mourou
, and
D.
Umstadter
,
Phys. Rev. E
59
,
7042
(
1999
).
7.
A. L.
Lei
,
A.
Pukhov
,
R.
Kodama
,
T.
Yabuuchi
,
K.
Adui
,
K.
Endo
,
R. R.
Freeman
,
H.
Habara
,
Y.
Kitagawa
,
K.
Kondo
,
G. R.
Kumar
,
T.
Matsuoka
,
K.
Mima
,
H.
Nagatomo
,
T.
Norimatsu
,
O.
Shorokhov
,
R.
Snavely
,
X. Q.
Yang
,
J.
Zhang
, and
K. A.
Tanaka
,
Phys. Rev. E
76
,
066403
(
2007
).
8.
N.
Naseri
,
S. G.
Bochkarev
, and
W.
Rozmus
,
Phys. Plasmas
17
,
033107
(
2010
).
9.
B.
Dromey
,
M.
Zepf
,
A.
Gopal
,
K.
Lancaster
,
M. S.
Wei
,
K.
Krushelnick
,
M.
Tatarakis
,
N.
Vakaki
,
S.
Moustaizis
,
R.
Kodama
,
M.
Tampo
,
C.
Stoeckl
,
R.
Clarke
,
H.
Habara
,
D.
Neely
,
S.
Karsch
, and
P.
Norreys
,
Nature Phys.
2
,
456
(
2006
);
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
).
[PubMed]
10.
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
).
11.
M.
Tatarakis
,
I.
Watts
,
F. N.
Beg
,
E. L.
Clark
,
A. E.
Dangor
,
A.
Gopal
,
M. G.
Haines
,
P. A.
Norreys
,
U.
Wagner
,
M.-S.
Wei
,
M.
Zepf
, and
K.
Krushelnick
,
Nature, (London)
415
,
280
(
2002
).
12.
P.
Kaw
and
J.
Dawson
Phys. Fluids
13
,
472
(
1970
).
13.
P.
Sprangle
,
C.-M.
Tang
, and
E.
Esarey
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
PS-15
,
145
(
1987
).
14.
S.
Guérin
,
P.
Mora
,
J. C.
Adam
,
A.
Héron
, and
G.
Laval
,
Phys. Plasma
3
,
2693
(
1996
).
15.
J. C.
Adam
,
A.
Héron
,
S.
Guérin
,
G.
Laval
,
P.
Mora
, and
B.
Quesnel
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4765
(
1997
).
16.
J.
Fuchs
,
J. C
Adams
,
F.
Amiranoff
,
S. D.
Baton
,
P.
Gallant
,
L.
Gremillet
,
A.
Héron
,
J. C.
Kieffer
,
G.
Laval
,
G.
Malka
,
J. L.
Miquel
,
P.
Mora
,
H.
Pepin
, and
C.
Rousseaux
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
2326
(
1998
).
17.
M.
Tabak
,
J.
Hammer
,
M. E.
Glinsky
,
W. L.
Kruer
,
S. C.
Wilks
,
J.
Woodworth
,
E. M.
Campbell
, and
M. D.
Perry
,
Phys. Plasma
1
,
1626
(
1994
).
18.
G.
Li
,
R.
Yan
,
C.
Ren
,
T.-L.
Wang
,
J.
Tonge
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. Lett
100
,
125002
(
2008
).
19.
A. L.
Lei
,
K. A.
Tanaka
,
R.
Kodama
,
K.
Adumi
,
H.
Habara
,
Y.
Kitagawa
,
H.
Kondo
,
T.
Matsuoka
,
T.
Tanimoto
,
T.
Yabuuchi
,
K.
Mima
,
K.
Nagai
,
H.
Nagatomo
,
T.
Norimatsu
,
K.
Sawai
,
K.
Suzuki
,
W.
Yu
,
H.
Xu
,
X. Q.
Yang
,
L. H.
Cao
,
H. B.
Cai
,
Y.
Sentoku
,
A.
Pukhov
,
R.
Kumar
,
R.
Snavely
,
R.
Freeman
,
M.
Yu
, and
J.
Zheng
,
Phys. Plasma
16
,
056307
(
2009
).
20.
T.
Matsuoka
,
A.
Lei
,
T.
Yabuuchi
,
K.
Adumi
,
J.
Zheng
,
R.
Kodama
,
K.
Sawai
,
K.
Suzuki
,
Y.
Kitagawa
,
T.
Norimatsu
,
K.
Nagai
,
H.
Nagatomo
,
Y.
Izawa
,
K.
Mima
,
Y.
Sentoku
, and
K. A.
Tanaka
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
,
50
,
105011
(
2008
).
21.
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
).
22.
V. Yu.
Bychenkov
,
W.
Rozmus
,
A.
Maksimchuk
,
D.
Umstadter
, and
C. E.
Capjack
,
Plasma Phys. Rep.
27
,
1017
(
2001
).
23.
S.
Kar
,
A. P. L.
Robinson
,
D. C.
Carroll
,
O.
Lundh
,
K.
Markey
,
P.
McKenna
,
P.
Norreys
, and
M.
Zepf
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
055001
(
2009
).
24.
G. S.
Sarkisov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
V. T.
Tikhonchuk
,
A.
Maksimchuk
,
S. Y.
Chen
,
R.
Wagner
,
G.
Mourou
, and
D.
Umstadter
,
J. Exp. Theor. Phys.
66
,
828
(
1997
).
25.
K.
Krushelnick
,
E. L.
Clark
,
Z.
Najmudin
,
M.
Salvati
,
M. I. K.
Santala
,
M.
Tatarakis
,
A. E.
Dangor
,
V.
Malka
,
D.
Neely
,
R.
Allot
, and
C.
Danson
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
737
(
1999
).
26.
S. P.
Hatchett
,
C. G.
Brown
,
T. E.
Cowan
,
E. A.
Henry
,
J. S.
Johnson
,
M. H.
Key
,
J. A.
Koch
,
A. B.
Langdon
,
B. F.
Lasinski
,
R. W.
Lee
,
A. J.
Mackinnon
,
D. M.
Pennington
,
M. D.
Perry
,
T. W.
Phillips
,
M.
Roth
,
T. C.
Sangster
,
M. S.
Singh
,
R. A.
Snavely
,
M. A.
Stoyer
,
S. C.
Wilks
, and
K.
Yasuike
,
Phys. Plasmas
7
,
2076
(
2000
).
27.
L. O.
Silva
,
M.
Marti
,
J. R.
Davis
,
R. A.
Fonseca
,
C.
Ren
,
F. S.
Tsung
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
015002
(
2004
).
28.
T. Zh.
Esirkepov
,
Y.
Sentoku
,
K.
Mima
,
K.
Nishihara
,
F.
Califano
,
F.
Pegoraro
,
N. M.
Naumova
,
S. V.
Bulanov
,
Y.
Ueshima
,
T. V.
Liseikina
,
V. A.
Vshivkov
, and
Y.
Kato
,
J. Exp. Theor. Phys.
70
,
82
(
1999
);
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
).
[PubMed]
29.
H.
Chen
,
S. C.
Wilks
,
J. D.
Bonlie
,
E. P.
Liang
,
J.
Myatt
,
D. F.
Price
,
D. D.
Meyerhofer
, and
P.
Beiersdofer
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
105001
(
2009
).
30.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
E.
d’Humières
,
J.
Robiche
,
E.
Brambrink
,
S.
Atzeni
,
A.
Schiavi
,
Y.
Sentoku
,
P.
Audebert
, and
H.
Pépin
,
New J. Phys.
11
,
023038
(
2009
).
31.
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.
Ferna´ndez
,
S. G.
Rykovanov
,
H.-C.
Wu
,
M.
Zepf
,
D.
Jung
,
V. Kh.
Liechenstein
,
J.
Schreiber
,
D.
Habs
, and
B. M.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
045002
(
2009
).
32.
C.
Stoeckl
,
J. A.
Delettrez
,
J. H.
Kelly
,
T. J.
Kessler
,
B. E.
Kruschwitz
,
S. J.
Loucks
,
R. L.
McCrory
,
D. D.
Meyerhofer
,
D. N.
Maywar
,
S. F. B.
Morse
,
J.
Myatt
,
A. L.
Rigatti
,
L. J.
Waxer
,
J. D.
Zuegel
, and
R. B.
Stephens
,
Fusion Sci. Technol.
49
,
367
(
2006
).
33.
J.
Bromage
.
S.-W.
Bahk
,
D.
Irwin
,
J.
Kwiatkowski
,
A.
Pruyne
,
M.
Millecchia
,
M.
Moore
, and
J. D.
Zuegel
,
Opt. Express
,
16
,
16561
(
2008
);
[PubMed]
B.
Kruschwitz
,
S.-W.
Bahk
,
J.
Bromage
,
D.
Irwin
, and
M. D.
Moore
,
LLE Review Quarterly Report
124, LLE Document No. DOE/NA/28302-983 (
2010
).
34.
C.
Dorrer
,
D.
Irwin
,
A.
Consentino
, and
J.
Qiao
,
Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (CD)
(
Optical Society of America
, 2010), paper JThE117 (
2010
).
35.
R. O.
Fonseca
,
Lect. Notes Comput. Sci.
2331
,
342
(
2002
).
36.
N. M.
Naumova
,
J.
Koga
,
K.
Nakajima
,
T.
Tajima
,
T. Zh.
Esirkepov
,
S. V.
Bulanov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Plasmas
8
,
4149
(
2001
).
37.
N. M.
Naumova
,
S. V.
Bulanov
,
K.
Nishihara
,
T. Zh.
Esirkepov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Rev. E
65
,
045402
(
2002
).
38.
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
N. M.
Naumova
,
F.
Pegoraro
, and
V. A.
Vshivkov
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3440
(
1999
).
39.
D.
Farina
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5289
(
2001
).
40.
N. M.
Naumova
,
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
D.
Farina
,
K.
Nishihara
,
F.
Pegoraro
,
H.
Ruhl
, and
A. S.
Sakharov
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
185004
(
2001
).
41.
G.
Sarri
,
D. K.
Singh
,
J. R.
Davies
,
F.
Fiuza
,
K. L.
Lancaster
,
E. L.
Clark
,
S.
Hassan
,
J.
Jiang
,
N.
Kageiwa
,
N.
Lopes
,
A.
Rehman
,
C.
Russo
,
R. H. H.
Scott
,
T.
Tanimoto
,
Z.
Najmudin
,
K. A.
Tanaka
,
M.
Tatarakis
,
M.
Borghesi
, and
P. A.
Norreys
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
175007
(
2010
).
42.
L.
Romagnani
,
A.
Bigongiari
,
S.
Kar
,
S. V.
Bulanov
,
C. A.
Cecchetti
,
T. Zh.
Esirkepov
,
M.
Galimberti
,
R.
Jung
,
T. V.
Liseykina
,
A.
Macchi
,
J.
Osterholz
,
F.
Pegoraro
,
O.
Willi
, and
M.
Borghesi
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
175002
(
2010
).
43.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
5
,
1880
(
1998
).
44.
C.
Gahn
,
G. D.
Tsakiris
,
A.
Pukhov
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
G.
Pretzler
,
P.
Thirolf
,
D.
Habs
, and
K. J.
Witte
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
4772
(
1999
).
45.
J.
Meyer-ter-Vehn
and
Z. M.
Sheng
,
Phys. Plasmas
6
,
641
(
1999
).
46.
A.
Pukhov
,
Z.-M.
Sheng
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
6
,
2847
(
1999
).
47.
M.
Tanimoto
,
S.
Kato
,
E.
Miura
,
N.
Saito
,
K.
Koyama
, and
J. K.
Koga
,
Phys. Rev. E
68
,
26401
(
2003
).
48.
S. P. D.
Mangles
,
B. R.
Walton
,
M.
Tzoufras
,
Z.
Najmudin
,
R. J.
Clarke
,
A. E.
Dangor
,
R. G.
Evans
,
S.
Fritzler
,
A.
Gopal
,
C.
Hernandez-Gomez
,
W. B.
Mori
,
W.
Rozmus
,
M.
Tatarakis
,
A. G. R.
Thomas
,
F. S.
Tsung
,
M. S.
Wei
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
245001
(
2005
).
49.
S. S.
Bulanov
,
V. Yu.
Bychenkov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalinchenko
,
D. W.
Litzenberg
,
T.
Matsuoka
,
A. G. R.
Thomas
,
L.
Willingale
,
V.
Yanovsky
,
K.
Krushelnick
, and
A.
Maksimchuk
,
Phys. Plasmas
17
,
043105
(
2010
).
You do not currently have access to this content.