Proton acceleration by ultra-intense laser pulse irradiating a target with cross-section smaller than the laser spot size and connected to a parabolic density channel is investigated. The target splits the laser into two parallel propagating parts, which snowplow the back-side plasma electrons along their paths, creating two adjacent parallel wakes and an intense return current in the gap between them. The radiation-pressure pre-accelerated target protons trapped in the wake fields now undergo acceleration as well as collimation by the quasistatic wake electrostatic and magnetic fields. Particle-in-cell simulations show that stable long-distance acceleration can be realized, and a 30 fs monoenergetic ion beam of >10 GeV peak energy and <2° divergence can be produced by a circularly polarized laser pulse at an intensity of about 1022 W/cm2.

1.
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
V. S.
Khoroshkov
,
A. V.
Kuznetsov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Lett. A
299
,
240
(
2002
).
2.
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
).
3.
M.
Borghesi
,
A.
Schiavi
,
D. H.
Campbell
,
M. G.
Haines
,
O.
Willi
,
A. J.
Mackinnon
,
P.
Patel
,
M.
Galimberti
, and
L. A.
Gizzi
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
1688
(
2003
).
4.
C. K.
Li
,
F. H.
Séguin
,
J. A.
Frenje
,
M.
Rosenberg
,
R. D.
Petrasso
,
P. A.
Amendt
,
J. A.
Koch
,
O. L.
Landen
,
H. S.
Park
,
H. F.
Robey
,
R. P. J.
Town
,
A.
Casner
,
F.
Philippe
,
R.
Betti
,
J. P.
Knauer
,
D. D.
Meyerhofer
,
C. A.
Back
,
J. D.
Kilkenny
, and
A.
Nikroo
,
Science
327
,
1231
(
2010
).
5.
D. H. H.
Hoffmann
,
A.
Blazevic
,
P.
Ni
,
O.
Rosmej
,
M.
Roth
,
N. A.
Tahir
,
A.
Tauschwitz
,
S.
Udrea
,
D.
Varentsov
,
K.
Weyrich
, and
Y.
Maron
,
Laser Part. Beams
23
,
47
53
(
2005
), available at http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=310085.
6.
P. M.
Nilson
,
L.
Willingale
,
M. C.
Kaluza
,
C.
Kamperidis
,
S.
Minardi
,
M. S.
Wei
,
P.
Fernandes
,
M.
Notley
,
S.
Bandyopadhyay
,
M.
Sherlock
,
R. J.
Kingham
,
M.
Tatarakis
,
Z.
Najmudin
,
W.
Rozmus
,
R. G.
Evans
,
M. G.
Haines
,
A. E.
Dangor
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
255001
(
2006
).
7.
C. K.
Li
,
F. H.
Séguin
,
J. A.
Frenje
,
J. R.
Rygg
,
R. D.
Petrasso
,
R. P. J.
Town
,
O. L.
Landen
,
J. P.
Knauer
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
055001
(
2007
).
8.
Q. L.
Dong
,
S. J.
Wang
,
Q. M.
Lu
,
C.
Huang
,
D. W.
Yuan
,
X.
Liu
,
X. X.
Lin
,
Y. T.
Li
,
H. G.
Wei
,
J. Y.
Zhong
,
J. R.
Shi
,
S. E.
Jiang
,
Y. K.
Ding
,
B. B.
Jiang
,
K.
Du
,
X. T.
He
,
M. Y.
Yu
,
C. S.
Liu
,
S.
Wang
,
Y. J.
Tang
,
J. Q.
Zhu
,
G.
Zhao
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
215001
(
2012
).
9.
M.
Borghesi
,
J.
Fuchs
,
S. V.
Bulanov
,
A. J.
Mackinnon
,
P.
Patel
, and
M.
Roth
,
Fusion Sci. Technol.
49
,
412
(
2006
), available at http://www.new.ans.org/pubs/journals/fst/a_1159.
10.
G. A.
Mourou
,
T.
Tajima
, and
S. V.
Bulanov
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
309
371
(
2006
).
11.
X. Q.
Yan
,
C.
Lin
,
Z. M.
Sheng
,
Z. Y.
Guo
,
B. C.
Liu
,
Y. R.
Lu
,
J. X.
Fang
, and
J. E.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
135003
(
2008
).
12.
O.
Klimo
,
J.
Psikal
,
J.
Limpouch
, and
V. T.
Tikhonchuk
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
11
,
031301
(
2008
).
13.
A. P. L.
Robinson
,
M.
Zepf
,
S.
Kar
,
R. G.
Evans
, and
C.
Bellei
,
New J. Phys.
10
,
013021
(
2008
).
14.
X. Q.
Yan
,
H. C.
Wu
,
Z. M.
Sheng
,
J. E.
Chen
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
135001
(
2009
).
15.
B.
Qiao
,
M.
Zepf
,
M.
Borghesi
, and
M.
Geissler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
145002
(
2009
).
16.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
17.
Z. M.
Zhang
,
X. T.
He
,
Z. M.
Sheng
, and
M. Y.
Yu
,
Phys. Plasmas
17
,
043110
(
2010
).
18.
B. F.
Shen
,
X.
Zhang
,
Z. M.
Sheng
,
M. Y.
Yu
, and
J.
Cary
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
12
,
121301
(
2009
).
19.
L. L.
Yu
,
H.
Xu
,
W. M.
Wang
,
Z. M.
Sheng
,
B. F.
Shen
,
W.
Yu
, and
J.
Zhang
,
New J. Phys.
12
,
045021
(
2010
).
20.
F. L.
Zheng
,
H. Y.
Wang
,
X. Q.
Yan
,
T.
Tajima
,
M. Y.
Yu
, and
X. T.
He
,
Phys. Plasmas
19
,
023111
(
2012
).
21.
F. L.
Zheng
,
S. Z.
Wu
,
C. T.
Zhou
,
H. Y.
Wang
,
X. Q.
Yan
and
X. T.
He
,
Europhys. Lett.
95
,
55005
(
2011
).
22.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
23.
B.
Qiao
,
M.
Zepf
,
M.
Borghesi
,
B.
Dromey
,
M.
Geissler
,
A.
Karmakar
, and
P.
Gibbon
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
155002
(
2010
).
24.
S. V.
Bulanov
,
E.
Yu. Echkina
,
T. Zh.
Esirkepov
,
I. N.
Inovenkov
,
M.
Kando
,
F.
Pegoraro
, and
G.
Korn
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
135003
(
2010
).
25.
X. M.
Zhang
,
B. F.
Shen
,
L. L.
Ji
,
F. C.
Wang
,
M.
Wen
,
W. P.
Wang
,
J. C.
Xu
, and
Y. H.
Yu
,
Phys. Plasmas
17
,
123102
(
2010
).
26.
T.
Sokollik
,
T.
Paasch-Colberg
,
K.
Gorling
,
U.
Eichmann
,
M.
Schnürer
,
S.
Steinke
,
P. V.
Nickles
,
A.
Andreev
, and
W.
Sandner
,
New J. Phys
12
,
11301
(
2010
), available at http://iopscience.iop.org/1367-2630/12/11/113013/fulltext/.
27.
Z. M.
Sheng
,
K.
Mima
,
Y.
Sentoku
,
K.
Nishihara
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas
9
,
3147
(
2002
).
28.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Appl. Phys. B
74
,
355
(
2002
).
29.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
C.
Toth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nature Phys.
2
,
696
(
2006
).
30.
W.
Lu
,
C.
Huang
,
M.
Zhou
, and
M.
Tzoufras
,
Phys. Plasmas
13
,
056709
(
2006
).
31.
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
).
32.
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.
Fernández
,
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
).
33.
H. B.
Cai
,
K.
Mima
,
A.
Sunahara
,
T.
Johzaki
,
H.
Nagatomo
,
S. P.
Zhu
, and
X. T.
He
,
Phys. Plasmas
17
,
023106
(
2010
).
34.
A.
Caldwell
,
K.
Lotov
,
A.
Pukhov
, and
F.
Simon
,
Nature Phys.
5
,
363
(
2009
).
You do not currently have access to this content.