The production of intense x-ray and particle sources is one of the most remarkable aspects of high energy laser interaction with a solid target. Wide application of these laser-driven secondary sources requires a high yield, which is partially limited by the amount of laser energy absorbed by the target. Here, we report on the enhancement of laser absorption and x-ray and particle flux by target surface modifications. In comparison to targets with flat front surfaces, our experiments show exceptional laser-to-target performance for our novel cone-shaped silicon microstructures. The structures are manufactured via laser-induced surface structuring. Spectral and spatial studies of reflectance and x-ray generation reveal significant increases of the silicon Kα line and a boost of the overall x-ray intensity, while the amount of reflected light decreases. Also, the proton and electron yields are enhanced, but both temperatures remain comparable to those of flat foil targets. We support the experimental findings with 2D particle in cell simulations to identify the mechanisms responsible for the strong enhancement. Our results demonstrate how custom surface structures can be used to engineer high power laser-plasma sources for future applications.

1.
S.
Wilks
,
W.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
2.
P.
Bolton
,
K.
Parodi
, and
J.
Schreiber
,
Applications of Laser-Driven Particle Acceleration
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2018
).
3.
A.
Macchi
,
M.
Borghesi
, and
M.
Passoni
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
751
(
2013
).
4.
O.
Klimo
,
J.
Psikal
,
J.
Limpouch
,
J.
Proska
,
F.
Novotny
,
T.
Ceccotti
,
V.
Floquet
, and
S.
Kawata
,
New J. Phys.
13
,
053028
(
2011
).
5.
G.
Cristoforetti
,
P.
Londrillo
,
P.
Singh
,
F.
Baffigi
,
G.
D'Arrigo
,
A. D.
Lad
,
R.
Milazzo
,
A.
Adak
,
M.
Shaikh
,
D.
Sarkar
,
G.
Chatterjee
,
J.
Jha
,
M.
Krishnamurthy
,
G.
Kumar
, and
L.
Gizzi
,
Sci. Rep.
7
,
1479
(
2017
).
6.
A.
Lübcke
,
A. A.
Andreev
,
S.
Höhm
,
R.
Grunwald
,
L.
Ehrentraut
, and
M.
Schnürer
,
Sci. Rep.
7
,
44030
(
2017
).
7.
Z.
Zhao
,
L.
Cao
,
L.
Cao
,
J.
Wang
,
W.
Huang
,
W.
Jiang
,
Y.
He
,
Y.
Wu
,
B.
Zhu
,
K.
Dong
,
Y.
Ding
,
B.
Zhang
,
Y.
Gu
,
M. Y.
Yu
, and
X. T.
He
,
Phys. Plasmas
17
,
123108
(
2010
).
8.
W.
Yan
,
C.
Fruhling
,
G.
Golovin
,
D.
Haden
,
J.
Luo
,
P.
Zhang
,
B.
Zhao
,
J.
Zhang
,
C.
Liu
,
M.
Chen
,
S.
Chen
,
S.
Banerjee
, and
D.
Umstadter
,
Nat. Photonics
11
,
514
(
2017
).
9.
D. H.
Kalantar
,
S. W.
Haan
,
B. A.
Hammel
,
C. J.
Keane
,
O. L.
Landen
, and
D. H.
Munro
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
814
(
1997
).
10.
F.
Raksi
,
K. R.
Wilson
,
Z.
Jiang
,
A.
Ikhlef
,
C. Y.
Côté
, and
J.-C.
Kieffer
,
J. Chem. Phys.
104
,
6066
(
1996
).
11.
M.
Dozières
,
G.
Petrov
,
P.
Forestier-Colleoni
,
P.
Campbell
,
K.
Krushelnick
,
A.
Maksimchuk
,
C.
McGuffey
,
V.
Kaymak
,
A.
Pukhov
,
M.
Capeluto
,
R.
Hollinger
,
V.
Shlyaptsev
,
J.
Rocca
, and
F.
Beg
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
61
,
065016
(
2019
).
12.
R.
Hollinger
,
C.
Bargsten
,
V. N.
Shlyaptsev
,
V.
Kaymak
,
A.
Pukhov
,
M. G.
Capeluto
,
S.
Wang
,
A.
Rockwood
,
Y.
Wang
,
A.
Townsend
,
A.
Prieto
,
P.
Stockton
,
A.
Curtis
, and
J. J.
Rocca
,
Optica
4
,
1344
(
2017
).
13.
P.
McKenna
,
D.
Carroll
,
O.
Lundh
,
F.
Nürnberg
,
K.
Markey
,
S.
Bandyopadhyay
,
D.
Batani
,
R.
Evans
,
R.
Jafer
,
S.
Kar
,
D.
Neely
,
D.
Pepler
,
M.
Quinn
,
R.
Redaelli
,
M.
Roth
,
C.-G.
Wahlström
,
X.
Yuan
, and
M.
Zepf
,
Laser Part. Beams
26
,
591
596
(
2008
).
14.
A.
Andreev
,
N.
Kumar
,
K.
Platonov
, and
A.
Pukhov
,
Phys. Plasmas
18
,
103103
(
2011
).
15.
M.
Borghesi
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
740
,
6
(
2014
).
16.
M.
Blanco
,
M.
Flores-Arias
,
C.
Ruiz
, and
M.
Vranic
,
New J. Phys.
19
,
033004
(
2017
).
17.
T.-H.
Her
,
R. J.
Finlay
,
C.
Wu
,
S.
Deliwala
, and
E.
Mazur
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1673
(
1998
).
18.
B.
Franta
,
D.
Pastor
,
H. H.
Gandhi
,
P. H.
Rekemeyer
,
S.
Gradečak
,
M. J.
Aziz
, and
E.
Mazur
,
J. Appl. Phys.
118
,
225303
(
2015
).
19.
X.
Liu
,
P. R.
Coxon
,
M.
Peters
,
B.
Hoex
,
J. M.
Cole
, and
D. J.
Fray
,
Energy Environ. Sci.
7
,
3223
(
2014
).
20.
M.
Shen
,
C. H.
Crouch
,
J. E.
Carey
, and
E.
Mazur
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5694
(
2004
).
21.
I.
Gnilitskyi
,
T. J.-Y.
Derrien
,
Y.
Levy
,
N. M.
Bulgakova
,
T.
Mocek
, and
L.
Orazi
,
Sci. Rep.
7
,
8485
(
2017
).
22.
C.
Wu
,
C.
Crouch
,
L.
Zhao
,
J.
Carey
,
R.
Younkin
,
J.
Levinson
,
E.
Mazur
,
R.
Farrell
,
P.
Gothoskar
, and
A.
Karger
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
1850
(
2001
).
23.
T.
Ebert
,
N. W.
Neumann
,
T.
Abel
,
G.
Schaumann
, and
M.
Roth
,
High Power Laser Sci. Eng.
5
,
e13
(
2017
).
24.
C.
Hernandez-Gomez
,
P.
Brummitt
,
D.
Canny
,
R.
Clarke
,
J.
Collier
,
C.
Danson
,
A.
Dunne
,
B.
Fell
,
A.
Frackiewicz
,
S.
Hancock
,
S.
Hawkes
,
R.
Heathcote
,
P.
Holligan
,
M.
Hutchinson
,
A.
Kidd
,
W.
Lester
,
I.
Musgrave
,
D.
Neely
,
D.
Neville
,
P.
Norreys
,
D.
Pepler
,
C.
Reason
,
W. W. T.
Shaikh
, and
B.
Wyborn
,
J. Phys. IV
133
,
555
559
(
2006
).
25.
E.
Martinolli
,
M.
Koenig
,
J. M.
Boudenne
,
E.
Perelli
,
D.
Batani
, and
T. A.
Hall
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
2024
(
2004
).
26.
D.
Rusby
,
L.
Wilson
,
R.
Gray
,
R.
Dance
,
N.
Butler
,
D.
MacLellan
,
G.
Scott
,
V.
Bagnoud
,
B.
Zielbauer
,
P.
McKenna
, and
D.
Neely
,
J. Plasma Phys.
81
,
5
(
2015
).
27.
R. J.
Gray
,
X. H.
Yuan
,
D. C.
Carroll
,
C. M.
Brenner
,
M.
Coury
,
M. N.
Quinn
,
O.
Tresca
,
B.
Zielbauer
,
B.
Aurand
,
V.
Bagnoud
,
J.
Fils
,
T.
Kühl
,
X. X.
Lin
,
C.
Li
,
Y. T.
Li
,
M.
Roth
,
D.
Neely
, and
P.
McKenna
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
171502
(
2011
).
28.
C.
Ziener
,
P.
Foster
,
E.
Divall
,
C.
Hooker
,
M.
Hutchinson
,
A.
Langley
, and
D.
Neely
,
J. Appl. Phys.
93
,
768
(
2003
).
29.
K. P.
Singh
,
D. N.
Gupta
,
S.
Yadav
, and
V. K.
Tripathi
,
Phys. Plasmas
12
,
013101
(
2005
).
30.
D.
Margarone
,
O.
Klimo
,
I. J.
Kim
,
J.
Prokůpek
,
J.
Limpouch
,
T. M.
Jeong
,
T.
Mocek
,
J.
Pšikal
,
H. T.
Kim
,
J.
Proška
,
K. H.
Nam
,
L.
Štolcová
,
I. W.
Choi
,
S. K.
Lee
,
J. H.
Sung
,
T. J.
Yu
, and
G.
Korn
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
234801
(
2012
).
31.
S.
Jiang
,
A.
Krygier
,
D.
Schumacher
,
K.
Akli
, and
R.
Freeman
,
Phys. Rev. E
89
,
013106
(
2014
).
32.
J.
Jarrett
,
M.
King
,
R. J.
Gray
,
N.
Neumann
,
L.
Döhl
,
C. D.
Baird
,
T.
Ebert
,
M.
Hesse
,
A.
Tebartz
,
D. R.
Rusby
,
N.
Woolsey
,
D.
Neely
,
M.
Roth
, and
P.
McKenna
,
High Power Laser Sci. Eng.
7
,
e2
(
2019
).
33.
D.
Salzmann
,
C.
Reich
,
I.
Uschmann
,
E.
Förster
, and
P.
Gibbon
,
Phys. Rev. E
65
,
036402
(
2002
).
34.
J.
Colgan
,
J.
Abdallah
,
A. Y.
Faenov
,
S. A.
Pikuz
,
E.
Wagenaars
,
N.
Booth
,
O.
Culfa
,
R. J.
Dance
,
R. G.
Evans
,
R. J.
Gray
,
T.
Kaempfer
,
K. L.
Lancaster
,
P.
McKenna
,
A. L.
Rossall
,
I. Y.
Skobelev
,
K. S.
Schulze
,
I.
Uschmann
,
A. G.
Zhidkov
, and
N. C.
Woolsey
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
125001
(
2013
).
35.
S. B.
Hansen
,
J.
Colgan
,
A. Y.
Faenov
,
J.
Abdallah
,
S. A.
Pikuz
,
I. Y.
Skobelev
,
E.
Wagenaars
,
N.
Booth
,
O.
Culfa
,
R. J.
Dance
,
G. J.
Tallents
,
R. G.
Evans
,
R. J.
Gray
,
T.
Kaempfer
,
K. L.
Lancaster
,
P.
McKenna
,
A. K.
Rossall
,
K. S.
Schulze
,
I.
Uschmann
,
A. G.
Zhidkov
, and
N. C.
Woolsey
,
Phys. Plasmas
21
,
031213
(
2014
).
36.
S.
Pikuz
,
A.
Faenov
,
J.
Colgan
,
R.
Dance
,
J.
Abdallah
,
E.
Wagenaars
,
N.
Booth
,
O.
Culfa
,
R.
Evans
,
R.
Gray
,
T.
Kaempfer
,
K.
Lancaster
,
P.
McKenna
,
A.
Rossall
,
I.
Skobelev
,
K.
Schulze
,
I.
Uschmann
,
A.
Zhidkov
, and
N.
Woolsey
,
High Energy Density Phys.
9
,
560
(
2013
).
37.
B. L.
Henke
,
E. M.
Gullikson
, and
J. C.
Davis
,
At. Data Nucl. Data Tables
54
,
181
(
1993
).
38.
A.
Meadowcroft
,
C.
Bentley
, and
E.
Stott
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
113102
(
2008
).
39.
J.
MacFarlane
,
I.
Golovkin
,
P.
Woodruff
,
D.
Welch
,
B.
Oliver
,
T.
Mehlhorn
, and
R.
Campbell
, in
Proceedings of the Inertial Fusion and Sciences Applications
(
2003
), Vol.
457
.
40.
G.
Hoffmeister
,
C.
Bellei
,
K.
Harres
,
D.
Ivanov
,
D.
Kraus
,
A.
Pelka
,
B.
Rethfeld
,
G.
Schaumann
, and
M.
Roth
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
16
,
041304
(
2013
).
41.
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
).
42.
M.
Roth
,
A.
Blazevic
,
M.
Geissel
,
T.
Schlegel
,
T. E.
Cowan
,
M.
Allen
,
J.-C.
Gauthier
,
P.
Audebert
,
J.
Fuchs
,
J.
Meyer-Ter Vehn
,
M.
Hegelich
,
S.
Karsch
, and
A.
Pukhov
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
5
,
061301
(
2002
).
43.
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
).
44.
M.
Sedov
,
A. Y.
Faenov
,
A.
Andreev
,
I. Y.
Skobelev
,
S.
Ryazantsev
,
T.
Pikuz
,
P.
Durey
,
L.
Doehl
,
D.
Farley
,
C.
Baird
,
K.
Lancaster
,
C.
Murphy
,
N.
Booth
,
C.
Spindloe
,
K.
Platonov
,
P.
McKenna
,
R.
Kodama
,
N.
Woolsey
, and
S.
Pikuz
,
Laser Part. Beams
37
,
176
(
2019
).
45.
M.
Liu
,
Z.
An
,
C.
Tang
,
Z.
Luo
,
X.
Peng
, and
X.
Long
,
At. Data Nucl. Data Tables
76
,
213
(
2000
).
You do not currently have access to this content.