Laser-driven plasma density gratings in underdense plasma are shown to act as photonic crystals for high power lasers. The gratings are created by counterpropagating laser beams that trap electrons, followed by ballistic ion motion. This leads to strong periodic plasma density modulations with a lifetime on the order of picoseconds. The grating structure is interpreted as a plasma photonic crystal time-dependent property, e.g., the photonic band gap width. In Maxwell–Vlasov and particle-in-cell simulations it is demonstrated that the photonic crystals may act as a frequency filter and mirror for ultra-short high-power laser pulses.

1.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
2.
A.
Macchi
,
M.
Borghesi
, and
M.
Passoni
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
751
(
2013
).
3.
Z.-Y.
Chen
and
A.
Pukhov
,
Phys. Plasmas
22
,
103105
(
2015
).
4.
U.
Teubner
and
P.
Gibbon
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
445
(
2009
).
5.
D. J.
Stark
,
T.
Toncian
, and
A. V.
Arefiev
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
185003
(
2016
).
6.
B. C.
Stuart
,
M. D.
Feit
,
S.
Herman
,
A. M.
Rubenchik
,
B. W.
Shore
, and
M. D.
Perry
,
Phys. Rev. B
53
,
1749
(
1996
).
7.
A.-C.
Tien
,
S.
Backus
,
H.
Kapteyn
,
M.
Murnane
, and
G.
Mourou
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3883
(
1999
).
8.
S.
Hocquet
,
J.
Néauport
, and
N.
Bonod
,
EPJ Web Conf.
59
,
07002
(
2013
).
9.
Laser-Induced Damage in Optical Materials
, edited by
D.
Ristau
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2014
).
10.
M.
Maier
,
W.
Kaiser
, and
J. A.
Giordmaine
,
Phys. Rev. Lett.
17
,
1275
(
1966
).
11.
R. D.
Milroy
,
C. E.
Capjack
, and
C. R.
James
,
Phys. Fluids
22
,
1922
(
1979
).
12.
S.
Suckewer
,
Nat. Phys.
7
,
11
(
2011
).
13.
G.
Mourou
,
N.
Fisch
,
V.
Malkin
,
Z.
Toroker
,
E.
Khazanov
,
A.
Sergeev
,
T.
Tajima
, and
B. L.
Garrec
,
Opt. Commun.
285
,
720
(
2012
).
14.
V. M.
Malkin
,
G.
Shvets
, and
N. J.
Fisch
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4448
(
1999
).
15.
A. A.
Andreev
,
C.
Riconda
,
V. T.
Tikhonchuk
, and
S.
Weber
,
Phys. Plasmas
13
,
053110
(
2006
).
16.
G.
Shvets
,
N. J.
Fisch
,
A.
Pukhov
, and
J.
Meyer-ter Vehn
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
4879
(
1998
);
R.
Trines
,
F.
Fiuza
,
R.
Bingham
,
R.
Fonseca
,
L.
Silva
,
R.
Cairns
, and
P.
Norreys
,
Nat. Phys.
7
,
87
(
2011
);
G.
Lehmann
and
K. H.
Spatschek
,
Phys. Plasmas
20
,
073112
(
2013
);
J. P.
Farmer
and
A.
Pukhov
,
Phys. Rev. E
92
,
063109
(
2015
);
G.
Lehmann
and
K. H.
Spatschek
,
Phys. Plasmas
22
,
043105
(
2015
);
C.
Riconda
,
S.
Weber
,
L.
Lancia
,
J.-R.
Marquès
,
G.
Mourou
, and
J.
Fuchs
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
57
,
014002
(
2015
);
M.
Chiaramello
,
F.
Amiranoff
,
C.
Riconda
, and
S.
Weber
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
235003
(
2016
).
[PubMed]
17.
Y.
Ping
,
W.
Cheng
,
S.
Suckewer
,
D. S.
Clark
, and
N. J.
Fisch
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175007
(
2004
).
18.
W.
Cheng
,
Y.
Avitzour
,
Y.
Ping
,
S.
Suckewer
,
N. J.
Fisch
,
M. S.
Hur
, and
J. S.
Wurtele
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
045003
(
2005
).
19.
R. K.
Kirkwood
,
E.
Dewald
,
C.
Niemann
,
N.
Meezan
,
S. C.
Wilks
,
D. W.
Price
,
O. L.
Landen
,
J.
Wurtele
,
A. E.
Charman
,
R.
Lindberg
,
N. J.
Fisch
,
V. M.
Malkin
, and
E. O.
Valeo
,
Phys. Plasmas
14
,
113109
(
2007
).
20.
J.
Ren
,
W.
Cheng
,
S.
Li
, and
S.
Suckewer
,
Nat. Phys.
3
,
732
(
2007
).
21.
L.
Lancia
,
J.-R.
Marquès
,
M.
Nakatsutsumi
,
C.
Riconda
,
S.
Weber
,
S.
Hüller
,
A.
Mančić
,
P.
Antici
,
V. T.
Tikhonchuk
,
A.
Héron
,
P.
Audebert
, and
J.
Fuchs
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
025001
(
2010
).
22.
L.
Lancia
,
A.
Giribono
,
L.
Vassura
,
M.
Chiaramello
,
C.
Riconda
,
S.
Weber
,
A.
Castan
,
A.
Chatelain
,
A.
Frank
,
T.
Gangolf
,
M. N.
Quinn
,
J.
Fuchs
, and
J.-R.
Marquès
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
075001
(
2016
).
23.
B.
Landgraf
,
B.
Aurand
,
G.
Lehmann
,
T.
Gangolf
,
M.
Schnell
,
T.
Kühl
, and
C.
Spielmann
,
New J. Phys.
18
,
073048
(
2016
).
24.
S.
Weber
,
C.
Riconda
,
L.
Lancia
,
J.-R.
Marquès
,
G. A.
Mourou
, and
J.
Fuchs
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
055004
(
2013
).
25.
M. R.
Edwards
,
Q.
Jia
,
J. M.
Mikhailova
, and
N. J.
Fisch
,
Phys. Plasmas
23
,
083122
(
2016
).
26.
C.
Thaury
,
F.
Quéré
,
J.-P.
Geindre
,
A.
Levy
,
T.
Ceccotti
,
P.
Monot
,
M.
Bougeard
,
F.
Réau
,
P.
d'Oliveira
,
P.
Audebert
,
R.
Marjoribanks
, and
P.
Martin
,
Nat. Phys.
3
,
424
(
2007
).
27.
P.
Michel
,
L.
Divol
,
E. A.
Williams
,
S.
Weber
,
C. A.
Thomas
,
D. A.
Callahan
,
S. W.
Haan
,
J. D.
Salmonson
,
S.
Dixit
,
D. E.
Hinkel
,
M. J.
Edwards
,
B. J.
MacGowan
,
J. D.
Lindl
,
S. H.
Glenzer
, and
L. J.
Suter
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
025004
(
2009
).
28.
P.
Michel
,
L.
Divol
,
D.
Turnbull
, and
J. D.
Moody
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
205001
(
2014
).
29.
D.
Turnbull
,
P.
Michel
,
T.
Chapman
,
E.
Tubman
,
B. B.
Pollock
,
C. Y.
Chen
,
C.
Goyon
,
J. S.
Ross
,
L.
Divol
,
N.
Woolsey
, and
J. D.
Moody
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
205001
(
2016
).
30.
I. Y.
Dodin
and
N. J.
Fisch
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
165001
(
2002
).
31.
Z.-M.
Sheng
,
J.
Zhang
, and
D.
Umstadter
,
Appl. Phys. B
77
,
673
(
2003
).
32.
H.-C.
Wu
,
Z.-M.
Sheng
,
Q.-J.
Zhang
,
Y.
Cang
, and
J.
Zhang
,
Laser Part. Beams
23
,
417
(
2005
).
33.
L.-L.
Yu
,
Y.
Zhao
,
L.-J.
Qian
,
M.
Chen
,
S.-M.
Weng
,
Z.-M.
Sheng
,
D.
Jaroszynski
,
W.
Mori
, and
J.
Zhang
,
Nat. Commun.
7
,
11893
(
2016
).
34.
S.
Monchocé
,
S.
Kahaly
,
A.
Leblanc
,
L.
Videau
,
P.
Combis
,
F.
Réau
,
D.
Garzella
,
P.
D'Oliveira
,
P.
Martin
, and
F.
Quéré
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
145008
(
2014
).
35.
G.
Lehmann
and
K. H.
Spatschek
,
Phys. Plasmas
23
,
023107
(
2016
).
36.
37.
H.
Hojo
and
A.
Mase
,
J. Plasma Fusion Res.
80
,
89
(
2004
).
38.
O.
Sakai
,
T.
Sakaguchi
, and
K.
Tachibana
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
241505
(
2005
).
39.
O.
Sakai
,
S.
Yamaguchi
,
A.
Bambina
,
A.
Iwai
,
Y.
Nakamura
,
Y.
Tamayama
, and
S.
Miyagi
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
59
,
014042
(
2017
).
40.
G.
Lehmann
and
K. H.
Spatschek
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
225002
(
2016
).
41.
G.
Lehmann
,
Commun. Comput. Phys.
20
,
583
(
2016
).
42.
T. D.
Arber
,
K.
Bennett
,
C. S.
Brady
,
A.
Lawrence-Douglas
,
M. G.
Ramsay
,
N. J.
Sircombe
,
P.
Gillies
,
R. G.
Evans
,
H.
Schmitz
,
A. R.
Bell
, and
C. P.
Ridgers
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
57
,
113001
(
2015
).
43.
J. H.
Bin
,
W. J.
Ma
,
H. Y.
Wang
,
M. J. V.
Streeter
,
C.
Kreuzer
,
D.
Kiefer
,
M.
Yeung
,
S.
Cousens
,
P. S.
Foster
,
B.
Dromey
,
X. Q.
Yan
,
R.
Ramis
,
J.
Meyer-ter Vehn
,
M.
Zepf
, and
J.
Schreiber
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
064801
(
2015
).
You do not currently have access to this content.