Ion acceleration from short pulse laser interactions at intensities of 2×1021Wcm2 was studied experimentally under a wide variety of parameters, including laser contrast, incidence angle, and target thickness. Trends in maximum proton energy were observed, as well as evidence of improvement in the acceleration gradients by using dual plasma mirrors over traditional pulse cleaning techniques. Extremely high efficiency acceleration gradients were produced, accelerating both the contaminant layer and high charge state ions from the bulk of the target. Two dimensional particle-in-cell simulations enabled the study of the influence of scale length on submicron targets, where hydrodynamic expansion affects the rear surface as well as the front. Experimental evidence of larger electric fields for sharp density plasmas is observed in simulation results as well for such targets, where target ions are accelerated without the need for contaminant removal.

1.
S. V.
Bulanov
and
V. S.
Khoroshkov
,
Plasma Phys. Rep.
28
,
453
(
2002
).
2.
S. V.
Bulanov
,
T.
Zh. Esirkepov
,
V. S.
Khoroshkov
,
A. V.
Kuznetsov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Lett. A
299
,
240
(
2002
).
3.
E.
Fourkal
,
B.
Shahine
,
M.
Ding
,
J. S.
Li
,
T.
Tajima
, and
C.-M.
Ma
,
Med. Phys.
29
,
2788
(
2002
).
4.
V.
Malka
,
S.
Fritzler
,
G.
Grillon
,
J.
Chambaret
,
A.
Antonetti
,
D.
Hulin
,
E.
Lefebvre
,
E.
D'humiéres
,
R.
Ferrand
,
C.
Albaret
, and
S.
Meyroneinc
,
Med. Phys.
31
,
1587
(
2004
).
5.
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
).
6.
V.
Yu. Bychenkov
,
W.
Rozmus
,
A.
Maksimchuk
,
D.
Umstadter
, and
C. E.
Capjack
,
Plasma Phys. Rep.
27
,
1017
(
2001
).
7.
J. J.
Honrubia
,
J. C.
Fernández
,
M.
Temporal
,
B. M.
Hegelich
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
16
,
102701
(
2009
).
8.
J.
Davis
,
G. M.
Petrov
, and
T. A.
Mehlhorn
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
53
,
045013
(
2011
).
9.
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
).
10.
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
).
11.
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
).
12.
A.
Maksimchuk
,
S.
Gu
,
K.
Flippo
,
D.
Umstadter
, and
V.
Yu. Bychenkov
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4108
(
2000
).
13.
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
).
14.
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
).
15.
G.
Petrov
,
L.
Willingale
,
J.
Davis
,
T.
Petrova
,
A.
Maksimchuk
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Plasmas
17
,
103111
(
2010
).
16.
K.
Zeil
,
S. D.
Kraft
,
S.
Bock
,
M.
Bussmann
,
T. E.
Cowan
,
T.
Kluge
,
J.
Metzkes
,
T.
Richter
,
R.
Sauerbrey
, and
U.
Schramm
,
New J. Phys.
12
,
045015
(
2010
).
17.
T.
Toncian
,
M.
Borghesi
,
J.
Fuchs
,
E.
d'Humiéres
,
P.
Antici
,
P.
Audebert
,
E.
Brambrink
,
C. A.
Cecchetti
,
A.
Pipahl
,
L.
Romagnani
, and
O.
Willi
,
Science
312
,
410
(
2006
).
18.
B. M.
Hegelich
,
B. J.
Albright
,
J.
Cobble
,
K.
Flippo
,
S.
Letzring
,
M.
Paffett
,
H.
Ruhl
,
J.
Schreiber
,
R. K.
Schulze
, and
J. C.
Fernández
,
Nature
439
,
441
(
2006
).
19.
H.
Schwoerer
,
S.
Pfotenhauer
,
O.
Jäckel
,
K.-U.
Amthor
,
B.
Liesfeld
,
W.
Ziegler
,
R.
Sauerbrey
,
K. W. D.
Ledingham
, and
T.
Esirkepov
,
Nature
439
,
445
(
2006
).
20.
F.
Dollar
,
T.
Matsuoka
,
G. M.
Petrov
,
A. G. R.
Thomas
,
S. S.
Bulanov
,
V.
Chvykov
,
J.
Davis
,
G.
Kalinchenko
,
C.
McGuffey
,
L.
Willingale
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
065003
(
2011
).
21.
D.
Jung
,
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
D. C.
Gautier
,
R.
Hörlein
,
D.
Kiefer
,
A.
Henig
,
R.
Johnson
,
S.
Letzring
,
S.
Palaniyappan
,
R.
Shah
,
T.
Shimada
,
X. Q.
Yan
,
K. J.
Bowers
,
T.
Tajima
,
J. C.
Fernández
,
D.
Habs
, and
B. M.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
115002
(
2011
).
22.
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
F.
Fiuza
,
C.
Gong
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Nat. Phys.
8
,
95
(
2011
).
23.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
, and
J. C.
Fernández
,
Laser Part. Beams
24
,
291
(
2006
).
24.
S. S.
Bulanov
,
A.
Brantov
,
V. Y.
Bychenkov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalinchenko
,
T.
Matsuoka
,
P.
Rousseau
,
S.
Reed
,
V.
Yanovsky
,
D. W.
Litzenberg
,
K.
Krushelnick
, and
A.
Maksimchuk
,
Phys. Rev. E
78
,
026412
(
2008
).
25.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
26.
A. P. L.
Robinson
,
M.
Zepf
,
S.
Kar
,
R. G.
Evans
, and
C.
Bellei
,
New J. Phys.
10
,
013021
(
2008
).
27.
C. A. J.
Palmer
,
N. P.
Dover
,
I.
Pogorelsky
,
M.
Babzien
,
G. I.
Dudnikova
,
M.
Ispiriyan
,
M. N.
Polyanskiy
,
J.
Schreiber
,
P.
Shkolnikov
,
V.
Yakimenko
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
014801
(
2011
).
28.
A.
Henig
,
S.
Steinke
,
M.
Schnürer
,
T.
Sokollik
,
R.
Hörlein
,
D.
Kiefer
,
D.
Jung
,
J.
Schreiber
,
B. M.
Hegelich
,
X. Q.
Yan
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
T.
Tajima
,
P. V.
Nickles
,
W.
Sandner
, and
D.
Habs
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
245003
(
2009
).
29.
F.
Dollar
,
C.
Zulick
,
A. G. R.
Thomas
,
V.
Chvykov
,
J.
Davis
,
G.
Kalinchenko
,
T.
Matsuoka
,
C.
McGuffey
,
G. M.
Petrov
,
L.
Willingale
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
175005
(
2012
).
30.
R.
Fedosejevs
,
R.
Ottmann
,
R.
Sigel
,
G.
Kühnle
,
S.
Szatmari
, and
F. P.
Schäfer
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
1250
(
1990
).
31.
M. I. K.
Santala
,
M.
Zepf
,
I.
Watts
,
F. N.
Beg
,
E.
Clark
,
M.
Tatarakis
,
K.
Krushelnick
,
A. E.
Dangor
,
T.
McCanny
,
I.
Spencer
,
R. P.
Singhal
,
K. W. D.
Ledingham
,
S. C.
Wilks
,
A. C.
Machacek
,
J. S.
Wark
,
R.
Allott
,
R. J.
Clarke
, and
P. A.
Norreys
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
1459
(
2000
).
32.
A. G.
Mordovanakis
,
J.
Easter
,
N.
Naumova
,
K.
Popov
,
P.
Masson-Laborde
,
B.
Hou
,
I.
Sokolov
,
G.
Mourou
,
I. V.
Glazyrin
,
W.
Rozmus
,
V.
Bychenkov
,
J.
Nees
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
235001
(
2009
).
33.
V.
Chvykov
,
P.
Rousseau
,
S.
Reed
,
G.
Kalinchenko
, and
V.
Yanovsky
,
Opt. Lett.
31
,
1456
(
2006
).
34.
W.
Mróz
,
P.
Norek
,
A.
Prokopiuk
,
P.
Parys
,
M.
Pfeifer
,
L.
Laska
,
M. P.
Stöckli
,
D.
Fry
, and
K.
Kasuya
,
Rev. Sci. Instrum.
71
,
1417
(
2000
).
35.
Y.
Glinec
,
J.
Faure
,
A.
Guemnie-Tafo
,
V.
Malka
,
H.
Monard
,
J. P.
Larbre
,
V.
De Waele
,
J. L.
Marignier
, and
M.
Mostafavi
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
103301
(
2006
).
36.
B.
Dromey
,
S.
Kar
,
M.
Zepf
, and
P.
Foster
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
645
(
2004
).
37.
G.
Doumy
,
F.
Quéré
,
O.
Gobert
,
M.
Perdrix
,
P.
Martin
,
P.
Audebert
,
J. C.
Gauthier
,
J. P.
Geindre
, and
T.
Wittmann
,
Phys. Rev. E
69
,
026402
(
2004
).
38.
J. P.
Freidberg
,
R. W.
Mitchell
,
R. L.
Morse
, and
L. I.
Rudsinski
,
Phys. Rev. Lett.
28
,
795
(
1972
).
39.
S. W.
Bahk
,
P.
Rousseau
,
T. A.
Planchon
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalintchenko
,
A.
Maksimchuk
,
G. A.
Mourou
, and
V.
Yanovsky
,
Appl. Phys. B
80
,
823
(
2005
).
40.
J. F.
Ziegler
,
Stopping Powers and Ranges in All Elemental Matter, The Stopping and Ranges of Ions in Matter
(
Pergamon
,
New York
,
1977
).
41.
R. O.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
F. S.
Tsung
,
V. K.
Decyk
,
W.
Lu
,
C.
Ren
,
W. B.
Mori
,
S.
Deng
,
S.
Lee
,
T.
Katsouleas
, and
J. C.
Adam
,
Lect. Notes Comput. Sci.
2331
,
342
(
2002
).
42.
G. M.
Petrov
and
J.
Davis
,
Comput. Phys. Commun.
179
,
868
(
2008
).
43.
G. M.
Petrov
and
J.
Davis
,
Phys. Plasmas
18
,
073102
(
2011
).
44.
J.
Fuchs
,
Y.
Sentoku
,
S.
Karsch
,
J.
Cobble
,
P.
Audebert
,
A.
Kemp
,
A.
Nikroo
,
P.
Antici
,
E.
Brambrink
,
A.
Blazevic
,
E. M.
Campbell
,
J. C.
Fernández
,
J.-C.
Gauthier
,
M.
Geissel
,
M.
Hegelich
,
H.
Pépin
,
H.
Popescu
,
N.
Renard-LeGalloudec
,
M.
Roth
,
J.
Schreiber
,
R.
Stephens
, and
T. E.
Cowan
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
045004
(
2005
).
45.
M.
Kaluza
,
J.
Schreiber
,
M. I. K.
Santala
,
G. D.
Tsakiris
,
K.
Eidmann
,
J.
Meyer-ter-Vehn
, and
K. J.
Witte
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
045003
(
2004
).
47.
J. T.
Larson
and
S. M.
Lane
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf.
51
,
179
(
1994
).
48.
P.
Gibbon
,
A. A.
Andreev
, and
K. Y.
Platonov
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
54
,
045001
(
2012
).
49.
J.
Fuchs
,
P.
Antici
,
E.
d'Humiéres
,
E.
Lefebvre
,
M.
Borghesi
,
E.
Brambrink
,
C. A.
Cecchetti
,
M.
Kaluza
,
V.
Malka
,
M.
Manclossi
,
S.
Meyroneinc
,
P.
Mora
,
J.
Schreiber
,
T.
Toncian
,
H.
Pépin
, and
P.
Audebert
,
Nat. Phys.
2
,
48
(
2006
).
50.
T.
Matsuoka
,
S.
Reed
,
C.
McGuffey
,
S. S.
Bulanov
,
F.
Dollar
,
L.
Willingale
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalinchenko
,
A.
Brantov
,
V. Y.
Bychenkov
,
P.
Rousseau
,
V.
Yanovsky
,
D. W.
Litzenberg
,
K.
Krushelnick
, and
A.
Maksimchuk
,
Nucl. Fusion
50
,
055006
(
2010
).
51.
S.
Augst
,
D.
Strickland
,
D. D.
Meyerhofer
,
S. L.
Chin
, and
J. H.
Eberly
,
Phys. Rev. Lett.
63
,
2212
(
1989
).
52.
O.
Lundh
,
F.
Lindau
,
A.
Persson
,
C.-G.
Wahlström
,
P.
McKenna
, and
D.
Batani
,
Phys. Rev. E
76
,
026404
(
2007
).
53.
J.
Davis
and
G. M.
Petrov
,
Phys. Plasmas
16
,
023105
(
2009
).
54.
You do not currently have access to this content.