The excitation of surface plasmons with ultra-intense (I ∼ 5 × 1019 W/cm2), high contrast (∼1012) laser pulses on periodically modulated solid targets has been recently demonstrated to produce collimated bunches of energetic electrons along the target surface [Fedeli et al., Phys. Rev. Lett. 116, 015001 (2016)]. Here, we report an extensive experimental and numerical study aimed to a complete characterization of the acceleration mechanism, demonstrating its robustness and promising characteristics for an electron source. By comparing different grating structures, we identify the relevant parameters to optimize the acceleration and obtain bunches of ∼650 pC of charge at several MeV of energy with blazed gratings.
References
1.
W. L.
Barnes
, A.
Dereux
, and T. W.
Ebbesen
, Nature
424
, 824
(2003
).2.
J. A.
Schuller
, E. S.
Barnard
, W.
Cai
, Y. C.
Jun
, J. S.
White
, and M. L.
Brongersma
, Nat. Mater.
9
, 193
(2010
).3.
D. K.
Gramotnev
and S. I.
Bozhevolnyi
, Nat. Photonics
8
, 13
(2014
).4.
A.
Macchi
, e-print arXiv:1711.05124 [physics.optics].5.
L.
Fedeli
, “ High field plasmonics
,” Ph.D. thesis, Universitá di Pisa, Springer International Publishing
, 2016
.6.
A.
Bigongiari
, M.
Raynaud
, C.
Riconda
, and A.
Héron
, Phys. Plasmas
20
, 052701
(2013
).7.
T.
Ceccotti
, V.
Floquet
, A.
Sgattoni
, A.
Bigongiari
, O.
Klimo
, M.
Raynaud
, C.
Riconda
, A.
Heron
, F.
Baffigi
, L.
Labate
, L. A.
Gizzi
, L.
Vassura
, J.
Fuchs
, M.
Passoni
, M.
Květoň
, F.
Novotny
, M.
Possolt
, J.
Prokůpek
, J.
Proška
, J.
Pšikal
, L.
Štolcová
, A.
Velyhan
, M.
Bougeard
, P.
D'Oliveira
, O.
Tcherbakoff
, F.
Réau
, P.
Martin
, and A.
Macchi
, Phys. Rev. Lett.
111
, 185001
(2013
).8.
L.
Fedeli
, A.
Sgattoni
, G.
Cantono
, and A.
Macchi
, Appl. Phys. Lett.
110
, 051103
(2017
).9.
S. M.
Weng
, P.
Mulser
, and Z. M.
Sheng
, Phys. Plasmas
19
, 022705
(2012
).10.
M.
Raynaud
, J.
Kupersztych
, C.
Riconda
, J. C.
Adam
, and A.
Héron
, Phys. Plasmas
14
, 092702
(2007
).11.
A.
Bigongiari
, M.
Raynaud
, C.
Riconda
, A.
Héron
, and A.
Macchi
, Phys. Plasmas
18
, 102701
(2011
).12.
S. A.
Maier
, Plasmonics: Fundamentals and Applications
, 3rd ed. ( Springer
, 2007
), ISBN: 9780387331508.13.
S.
Kahaly
, S. K.
Yadav
, W. M.
Wang
, S.
Sengupta
, Z. M.
Sheng
, A.
Das
, P. K.
Kaw
, and G. R.
Kumar
, Phys. Rev. Lett.
101
, 145001
(2008
).14.
G.-y.
Hu
, A.-l.
Lei
, W.-t.
Wang
, X.
Wang
, L.-g.
Huang
, J.-w.
Wang
, Y.
Xu
, J.-s.
Liu
, W.
Yu
, B.-f.
Shen
, R.-x.
Li
, and Z.-z.
Xu
, Phys. Plasmas
17
, 033109
(2010
).15.
S.
Bagchi
, P.
Prem Kiran
, W.-M.
Wang
, Z. M.
Sheng
, M. K.
Bhuyan
, M.
Krishnamurthy
, and G.
Ravindra Kumar
, Phys. Plasmas
19
, 030703
(2012
).16.
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
).17.
L.
Fedeli
, A.
Sgattoni
, G.
Cantono
, D.
Garzella
, F.
Réau
, I.
Prencipe
, M.
Passoni
, M.
Raynaud
, M.
Květoň
, J.
Proska
, A.
Macchi
, and T.
Ceccotti
, Phys. Rev. Lett.
116
, 015001
(2016
).18.
A.
Sgattoni
, L.
Fedeli
, G.
Cantono
, T.
Ceccotti
, and A.
Macchi
, Plasma Phys. Controlled Fusion
58
, 014004
(2016
).19.
G.
Cantono
, “ Relativistic plasmonics for ultra-short radiation sources
,” Ph.D. thesis, Università di Pisa & Université Paris Saclay
, 2017
.20.
P.
Zhu
, Y.
Zhu
, Y.
Hidaka
, L.
Wu
, J.
Cao
, H.
Berger
, J.
Geck
, R.
Kraus
, S.
Pjerov
, Y.
Shen
, R. I.
Tobey
, J. P.
Hill
, and X. J.
Wang
, New J. Phys.
17
, 063004
(2015
).21.
S.
Tokita
, S.
Inoue
, S.
Masuno
, M.
Hashida
, and S.
Sakabe
, Appl. Phys. Lett.
95
, 111911
(2009
).22.
I.
Pomerantz
, E.
McCary
, A. R.
Meadows
, A.
Arefiev
, A. C.
Bernstein
, C.
Chester
, J.
Cortez
, M. E.
Donovan
, G.
Dyer
, E. W.
Gaul
, D.
Hamilton
, D.
Kuk
, A. C.
Lestrade
, C.
Wang
, T.
Ditmire
, and B. M.
Hegelich
, Phys. Rev. Lett.
113
, 184801
(2014
).23.
L.
Fedeli
, A.
Formenti
, L.
Cialfi
, A.
Sgattoni
, G.
Cantono
, and M.
Passoni
, Plasma Phys. Controlled Fusion
60
, 014013
(2018
).24.
P. K.
Kaw
and J.
McBride
, Phys. Fluids
13
, 1784
(1970
).25.
K. T.
McDonald
, e-print arXiv:0003065 [physics].26.
C.
Riconda
, M.
Raynaud
, T.
Vialis
, and M.
Grech
, Phys. Plasmas
22
, 073103
(2015
).27.
E. A.
Peralta
, K.
Soong
, R. J.
England
, E. R.
Colby
, Z.
Wu
, B.
Montazeri
, C.
Mcguinness
, J.
Mcneur
, K. J.
Leedle
, D.
Walz
, E. B.
Sozer
, B.
Cowan
, B.
Schwartz
, G.
Travish
, and R. L.
Byer
, Nature
503
, 91
(2013
).28.
K.
Mizuno
, S.
Ono
, and O.
Shimoe
, Nature
253
, 184
(1975
).29.
R. B.
Palmer
, 11th International Conference On High-Energy Accelerators
(Birkhäuser Basel, 1980
) ISBN: 9783034855426.30.
A.
Lévy
, T.
Ceccotti
, P.
D'Oliveira
, F.
Réau
, M.
Perdrix
, F.
Quéré
, P.
Monot
, M.
Bougeard
, H.
Lagadec
, and P.
Martin
, Opt. Lett.
32
, 310
(2007
).31.
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
).32.
A. G.
Mordovanakis
, J.
Easter
, N.
Naumova
, K.
Popov
, P.-E.
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.
M.
Thevenet
, A.
Leblanc
, S.
Kahaly
, H.
Vincenti
, A.
Vernier
, F.
Quere
, and J.
Faure
, Nat. Phys.
12
, 355
(2016
).34.
Y. T.
Li
, X. H.
Yuan
, M. H.
Xu
, Z. Y.
Zheng
, Z. M.
Sheng
, M.
Chen
, Y. Y.
Ma
, W. X.
Liang
, Q. Z.
Yu
, Y.
Zhang
, F.
Liu
, Z. H.
Wang
, Z. Y.
Wei
, W.
Zhao
, Z.
Jin
, and J.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
96
, 165003
(2006
).35.
C.
Palmer
and E.
Loewen
, Diffraction Grating Handbook
, 7th ed. (Newport Corporation
, Rochester
, 2014
).36.
Newport Corporation
, Richardson Gratings Technical Notes no. 7 and 11 (1997).37.
A.
Sgattoni
, L.
Fedeli
, S.
Sinigardi
, A.
Marocchino
, A.
Macchi
, V.
Weinberg
, and A.
Karmakar
, e-print arXiv:1503.02464 [cs.DC].38.
O.
Klimo
, J.
Psikal
, J.
Limpouch
, J.
Proska
, F.
Novotny
, T.
Ceccotti
, V.
Floquet
, and S.
Kawata
, New J. Phys.
13
, 053028
(2011
).39.
A.
Andreev
, N.
Kumar
, K.
Platonov
, and A.
Pukhov
, Phys. Plasmas
18
, 103103
(2011
).40.
S.
Jiang
, A. G.
Krygier
, D. W.
Schumacher
, K. U.
Akli
, and R. R.
Freeman
, Phys. Rev. E
89
, 013106
(2014
).41.
A.
Bigongiari
, “ High intensity laser-plasma grating interaction: Surface wave excitation and particle acceleration
,” Ph.D. thesis, Ecole Polytechnique X
, 2012
.42.
I.
Prencipe
, J.
Fuchs
, S.
Pascarelli
, D. W.
Schumacher
, R. B.
Stephens
, N. B.
Alexander
, R.
Briggs
, M.
Büscher
, M. O.
Cernaianu
, A.
Choukourov
, M.
De Marco
, A.
Erbe
, J.
Fassbender
, G.
Fiquet
, P.
Fitzsimmons
, C.
Gheorghiu
, J.
Hund
, L. G.
Huang
, M.
Harmand
, N. J.
Hartley
, A.
Irman
, T.
Kluge
, Z.
Konopkova
, S.
Kraft
, D.
Kraus
, V.
Leca
, D.
Margarone
, J.
Metzkes
, K.
Nagai
, W.
Nazarov
, P.
Lutoslawski
, D.
Papp
, M.
Passoni
, A.
Pelka
, J. P.
Perin
, J.
Schulz
, M.
Smid
, C.
Spindloe
, S.
Steinke
, R.
Torchio
, C.
Vass
, T.
Wiste
, R.
Zaffino
, K.
Zeil
, T.
Tschentscher
, U.
Schramm
, and T. E.
Cowan
, High Power Laser Sci. Eng.
5
, e17
(2017
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
