Ion acceleration in near-critical plasmas driven by intense laser pulses is investigated theoretically and numerically. A theoretical model has been given for clarification of the ion acceleration dynamics in relation to different laser and target parameters. Two distinct regimes have been identified, where ions are accelerated by, respectively, the laser-induced shock wave in the weakly driven regime (comparatively low laser intensity) and the nonlinear solitary wave in the strongly driven regime (comparatively high laser intensity). Two-dimensional particle-in-cell simulations show that quasi-monoenergetic proton beams with a peak energy of 94.6 MeV and an energy spread 15.8% are obtained by intense laser pulses at intensity I0 = 3 × 1020 W/cm2 and pulse duration τ = 0.5 ps in the strongly driven regime, which is more advantageous than that got in the weakly driven regime. In addition, 233 MeV proton beams with narrow spread can be produced by extending τ to 1.0 ps in the strongly driven regime.

1.
S. V.
Bulanov
,
T.
Esirkepov
,
P.
Migliozzi
,
F.
Pegoraro
,
T.
Tajima
, and
F.
Terranova
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
540
,
25
(
2005
).
2.
G. A.
Mourou
,
T.
Tajima
, and
S. V.
Bulanov
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
309
(
2006
).
3.
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
).
4.
C. K.
Li
,
F. H.
Seguin
,
J. A.
Frenje
,
J. R.
Rygg
,
R. D.
Petrasso
,
R. P. J.
Town
,
P. A.
Amendt
,
S. P.
Hatchett
,
O. L.
Landen
,
A. J.
Mackinnon
,
P. K.
Patel
,
V. A.
Smalyuk
,
T. C.
Sangster
, and
J. P.
Knauer
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
135003
(
2006
).
5.
L.
Romagnani
,
S. V.
Bulanov
,
M.
Borghesi
,
P.
Audebert
,
J. C.
Gauthier
,
K.
Lowenbruck
,
A. J.
Mackinnon
,
P.
Patel
,
G.
Pretzler
,
T.
Toncian
, and
O.
Willi
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
025004
(
2008
).
6.
S. V.
Bulanov
,
T. Z.
Esirkepov
,
V. S.
Khoroshkov
,
A. V.
Kuznetsov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Lett. A
299
,
240
(
2002
).
7.
D.
Schardt
,
Nucl. Phys. A
787
,
633
(
2007
).
8.
E.
Lefebvre
,
E.
d'Humières
,
S.
Fritzler
, and
V.
Malka
,
J. Appl. Phys.
100
,
113308
(
2006
).
9.
U.
Linz
and
J.
Alonso
,
Phys. Rev. Spec. Top.--Accel. Beams
10
,
094801
(
2007
).
10.
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
).
11.
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
).
12.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
13.
A. P. L.
Robinson
,
M.
Zepf
,
S.
Kar
,
R. G.
Evans
, and
C.
Bellei
,
New J. Phys.
10
,
013021
(
2008
).
14.
A.
Macchi
,
S.
Veghini
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
085003
(
2009
).
15.
B.
Qiao
,
M.
Zepf
,
M.
Borghesi
, and
M.
Geissler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
145002
(
2009
).
16.
B.
Qiao
,
S.
Kar
,
M.
Geissler
,
P.
Gibbon
,
M.
Zepf
, and
M.
Borghesi
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
115002
(
2012
).
17.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
,
K. J.
Bowers
,
K. A.
Flippo
,
T. J. T.
Kwan
, and
J. C.
Fernandez
,
Phys. Plasmas
14
,
056706
(
2007
).
18.
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
).
19.
J.
Denavit
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
3052
(
1992
).
20.
L. O.
Silva
,
M.
Marti
,
J. R.
Davies
,
R. A.
Fonseca
,
C.
Ren
,
F. S.
Tsung
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
015002
(
2004
).
21.
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
).
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
(
2012
).
23.
F.
Fiuza
,
A.
Stockem
,
E.
Boella
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
C.
Gong
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
215001
(
2012
).
24.
F.
Fiuza
,
A.
Stockem
,
E.
Boella
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
C.
Gong
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Plasmas
20
,
056304
(
2013
).
25.
A.
Balogh
and
R. A.
Treumann
,
Physics of Collisionless Shocks
(
Springer-Verlag
,
New York
,
2013
).
26.
G.
Sorasio
,
M.
Marti
,
R.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
045005
(
2006
).
27.
R. Z.
Sagdeev
,
Reviews of Plasma Physics
(
Consultants Bureau
,
New York
,
1966
), Vol. 4.
28.
D. A.
Tidman
and
N. A.
Krall
,
Shock Waves in Collisionless Plasmas
(
Wiley Interscience
,
1971
), Chap. 6.
29.
W. D.
Forslund
and
J. P.
Freidberg
,
Phys. Rev. Lett.
27
,
1189
(
1971
).
30.
A.
Macchi
,
F.
Cattani
,
T. V.
Liseykina
, and
F.
Cornolti
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
165003
(
2005
).
31.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
E.
d'Humieres
,
J.
Robiche
,
E.
Brambrink
,
S.
Atzeni
,
A.
Schiavi
,
Y.
Sentoku
,
P.
Audebert
, and
H.
Pepin
,
New J. Phys.
11
,
023038
(
2009
).
32.
D.
Haberberger
,
S.
Ivancic
,
S. X.
Hu
,
R.
Boni
,
M.
Barczys
,
R. S.
Craxton
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Plasmas
21
,
056304
(
2014
).
33.
Zs.
Lecz
and
A.
Andreev
,
Phys. Plasmas
22
,
043103
(
2015
).
You do not currently have access to this content.