Propagation of short and ultraintense laser pulses in a semi-infinite space of overdense hydrogen plasma is analyzed via fully relativistic, real geometry particle-in-cell (PIC) simulations including radiation friction. The relativistic transparency and hole-boring regimes are found to be sensitive to the transverse plasma field, backward light reflection, and laser pulse filamentation. For laser intensities approaching I ∼  1024 W/cm2, the direct laser acceleration of protons, along with ion Coulomb explosion, results in their injection into the acceleration phase of the compressed electron wave at the front of the laser pulses. The protons are observed to be accelerated up to 10–20 GeV with densities around a few times the critical density. The effect qualitatively depends on initial density and laser intensity, disappearing with the initial density increase or intensity decrease.

1.
C.
Danson
,
D.
Hillier
,
N.
Hopps
, and
D.
Neely
,
High Power Laser Sci.
3
,
E3
(
2015
).
2.
E.
Esarey
and
P.
Sprangle
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
24
,
2
,
252
(
1996
);
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
3.
G. A.
Mourou
,
T.
Tajima
, and
S. V.
Bulanov
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
309
(
2006
).
4.
J.
Shin
,
H. T.
Kim
,
S. K.
Lee
,
J. H.
Sung
,
H. W.
Lee
,
J. W.
Yoon
,
C.
Jeon
, and
C. H.
Nam
, in the
Proceedings of the 7th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2018)
(
2018
).
5.
C. A.
Ur
,
D.
Balabanski
,
G.
Cata-Danil
,
S.
Gales
,
I.
Morjan
,
O.
Tesileanu
,
D.
Ursescu
,
I.
Ursu
, and
N. V.
Zamfir
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
355
,
198
202
(
2015
).
6.
N.
Miyanaga
,
H.
Azechi
,
K. A.
Tanaka
,
T.
Kanabe
,
T.
Jitsuno
,
J.
Kawanaka1
,
Y.
Fujimoto
,
R.
Kodama
,
H.
Shiraga
,
K.
Knodo
 et al.,
J. Phys. IV Fr.
133
,
81
87
(
2006
).
7.
J. K.
Crane
,
G.
Tietbohl
,
P.
Arnold
,
E. S.
Bliss
,
C.
Boley
,
G.
Britten
,
G.
Brunton
,
W.
Clark
,
J. W.
Dawson
,
S.
Fochs
 et al.,
J. Phys. Conf. Ser.
244
,
032003
(
2010
).
8.
D.
Batani
,
M.
Koenig
,
J. L.
Miquel
,
J. E.
Ducret
,
E.
d'Humieres
,
S.
Hulin
,
J.
Caron
,
J. L.
Feugeas
,
P.
Nicolai
,
V.
Tikhonchuk
 et al.,
Phys. Scr.
2014
,
014016
.
9.
D. N.
Maywar
,
D. N.
Maywar
,
J. H.
Kelly
,
L. J.
Waxer
,
S. F. B.
Morse
,
I. A.
Begishev
,
J.
Bromage
,
C.
Dorrer
,
J. L.
Edwards
,
L.
Folnsbee
,
M. J.
Guardalben
 et al.,
J. Phys. Conf. Ser.
112
,
032007
(
2008
).
10.
N.
Iwata
,
S.
Kojima
,
Y.
Sentoku
,
M.
Hata
, and
K.
Mima
,
Nat. Commun.
9
,
623
(
2018
).
11.
M.
Tabak
,
J.
Hammer
,
M. E.
Glinsky
,
W. L.
Kruer
,
S. C.
Wilks
,
J.
Woodworth
,
E. M.
Campbell
, and
M. D.
Perry
,
Phys. Plasmas
1
,
1626
(
1994
).
12.
R.
Kodama
,
P. A.
Norreys
,
K.
Mima
,
A. E.
Dangor
,
R. G.
Evans
,
H.
Fujita
,
Y.
Kitagawa
,
K.
Krushelnick
,
T.
Miyakoshi
,
N.
Miyanaga
 et al. 
Nature
412
,
798
802
(
2001
).
13.
M. C.
Levy
,
S. C.
Wilks
,
M.
Tabak
,
S. B.
Libby
, and
M. G.
Baring
,
Nat. Commun.
5
,
4149
(
2014
).
14.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
1386
(
1992
).
15.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2686
2689
(
1997
).
16.
Y.
Sentoku
,
W.
Kruer
,
M.
Matsuoka
, and
A.
Pukhov
,
Fusion Sci. Technol.
49
,
278
296
(
2006
).
17.
N.
Naumova
,
T.
Schlegel
,
V. T.
Tikhonchuk
,
C.
Labaune
,
I. V.
Sokolov
, and
G.
Mourou
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
025002
(
2009
).
18.
Y.
Ping
,
A. J.
Kemp
,
L.
Divol
,
M. H.
Key
,
P. K.
Patel
,
K. U.
Akli
,
F. N.
Beg
,
S.
Chawla
,
C. D.
Chen
, and
R. R.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
145006
(
2012
).
19.
S. M.
Weng
,
M.
Murakami
,
H.
Azechi
,
J. W.
Wang
,
N.
Tasoko
,
M.
Chen
,
Z. M.
Sheng
,
P.
Mulser
,
W.
Yu
, and
B. F.
Shen
,
Phys. Plasmas
21
,
012705
(
2014
).
20.
A. L.
Lei
,
A.
Pukhov
,
R.
Kodama
,
T.
Yabuuchi
,
K.
Adumi
,
K.
Endo
,
R. R.
Freeman
,
H.
Habara
,
Y.
Kitagawa
, and
K.
Kondo
,
Phys. Rev. E
76
,
066403
(
2007
).
21.
A.
Yogo
,
K.
Mima
,
N.
Iwata
,
S.
Tosaki
,
A.
Morace
,
Y.
Arikawa
,
S.
Fujioka
,
T.
Johzaki
,
Y.
Sentoku
,
H.
Nishimura
 et al.,
Sci. Rep.
7
,
42451
(
2017
).
22.
H.
Daido
,
M.
Nishiuchi
, and
A. S.
Pirozhkov
,
Rep. Prog. Phys.
75
,
056401
(
2012
).
23.
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
).
24.
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
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2945
2948
(
2000
).
25.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
26.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
K. J.
Bowers
,
D.
Jung
,
J. C.
Fernandez
, and
B. M.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
045003
(
2011
).
27.
F.
Fiuza
,
A.
Stockem
,
E.
Boella
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
215001
(
2012
).
28.
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
F.
Fiuza
,
C.
Gong
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Nat. Phys.
8
,
95
99
(
2012
).
29.
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
444
(
2006
).
30.
S.
Palaniyappan
,
C.
Huang
,
D. C.
Gautier
,
C. E.
Hamilton
,
M. A.
Santiago
,
C.
Kreuzer
,
A. B.
Sefkow
,
R. C.
Shah
, and
J. C.
Fernández
,
Nat. Commun.
6
,
10170
(
2015
).
31.
X. H.
Yang
,
H. B.
Zhuo
,
H.
Xu
,
Z. Y.
Ge
,
F. Q.
Shao
,
M.
Borghesi
, and
Y. Y.
Ma
,
Phys. Plasmas
23
,
103110
(
2016
).
32.
A.
Zhidkov
,
J.
Koga
,
A.
Sasaki
, and
M.
Uesaka
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
185002
(
2002
).
33.
C. P.
Ridgers
,
C. S.
Brady
,
R.
Duclous
,
J. G.
Kirk
,
K.
Bennett
,
T. D.
Arber
,
A. P. L.
Robinson
, and
A. R.
Bell
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
165006
(
2012
).
34.
W.-M.
Wang
,
P.
Gibbon
,
Z.-M.
Sheng
,
Y.-T.
Li
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. E
96
,
013201
(
2017
).
35.
A.
Zhidkov
,
T.
Fujii
, and
K.
Nemoto
,
Phys. Rev. E
78
,
036406
(
2008
).
36.
M.
Yano
,
A.
Zhidkov
,
T.
Hosokai
, and
R.
Kodama
,
Phys. Plasma
25
,
103104
(
2018
).
37.
T.
Vijayan
and
V. K.
Rohatgi
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
PS-13
(
4
),
197
(
1985
).
38.
N.
Iwata
,
H.
Nagatomo
,
Y.
Fukuda
,
R.
Matsui
, and
Y.
Kishimoto
,
Phys. Plasmas
23
,
063115
(
2016
).
39.
S. S.
Bulanov
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
S. V.
Bulanov
,
T. Z.
Esirkepov
,
M.
Kando
,
F.
Pegoraro
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
23
,
056703
(
2016
).
You do not currently have access to this content.