We investigate the evolution of radial profile of a high-power short-pulse laser interacting with underdense plasma, and in particular, we concentrate on the transverse electromagnetic rings, which are formed due to the laser radiation defocusing induced by the excitation of Langmuir waves. We illustrate the physical processes involved in the formation of such structures analytically and use the three-dimensional numerical simulations to reveal the relationships among the electromagnetic ring properties and the parameters of laser and plasma. Within the studied parameter range, we find that up to 70% of the total initial driver pulse energy can be carried off by the electromagnetic rings having the opening angles 45115mrad. Furthermore, we show that the electromagnetic rings can become a source of high-energy ring-shaped electron beams.

1.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
3.
A. J.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C.
Benedetti
,
C.
Pieronek
,
T. C.
De Raadt
,
S.
Steinke
,
J. H.
Bin
,
S. S.
Bulanov
,
J.
Van Tilborg
,
C. G.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
C.
Tóth
,
E.
Esarey
,
K.
Swanson
,
L.
Fan-Chiang
,
G.
Bagdasarov
,
N.
Bobrova
,
V.
Gasilov
,
G.
Korn
,
P.
Sasorov
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
084801
(
2019
).
4.
S. V.
Bulanov
,
T. Z.
Esirkepov
,
M.
Kando
,
A. S.
Pirozhkov
, and
N. N.
Rosanov
,
Phys.-Usp.
56
,
429
(
2013
).
5.
A. S.
Pirozhkov
,
M.
Kando
,
T. Z.
Esirkepov
,
P.
Gallegos
,
H.
Ahmed
,
E. N.
Ragozin
,
A. Y.
Faenov
,
T. A.
Pikuz
,
T.
Kawachi
,
A.
Sagisaka
,
J. K.
Koga
,
M.
Coury
,
J.
Green
,
P.
Foster
,
C.
Brenner
,
B.
Dromey
,
D. R.
Symes
,
M.
Mori
,
K.
Kawase
,
T.
Kameshima
,
Y.
Fukuda
,
L.
Chen
,
I.
Daito
,
K.
Ogura
,
Y.
Hayashi
,
H.
Kotaki
,
H.
Kiriyama
,
H.
Okada
,
N.
Nishimori
,
T.
Imazono
,
K.
Kondo
,
T.
Kimura
,
T.
Tajima
,
H.
Daido
,
P.
Rajeev
,
P.
McKenna
,
M.
Borghesi
,
D.
Neely
,
Y.
Kato
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
135004
(
2012
).
6.
M.
Tabak
,
J.
Hammer
,
M. E.
Glinsky
,
W. L.
Kruer
,
S. C.
Wilks
,
J.
Woodworth
,
E. M.
Campbell
,
M. D.
Perry
, and
R. J.
Mason
,
Phys. Plasmas
1
,
1626
(
1994
).
7.
G.-Z.
Sun
,
E.
Ott
,
Y. C.
Lee
, and
P.
Guzdar
,
Phys. Fluids
30
,
526
(
1987
).
8.
P.
Monot
,
T.
Auguste
,
P.
Gibbon
,
F.
Jakober
,
G.
Mainfray
,
A.
Dulieu
,
M.
Louis-Jacquet
,
G.
Malka
, and
J. L.
Miquel
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
2953
(
1995
).
9.
P. E.
Young
and
P. R.
Bolton
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
4556
(
1996
).
10.
N. M.
Naumova
,
S. V.
Bulanov
,
K.
Nishihara
,
T. Z.
Esirkepov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Rev. E
65
,
045402(R)
(
2002
).
11.
T. Z.
Esirkepov
,
F. F.
Kamenets
,
S. V.
Bulanov
, and
N. M.
Naumova
,
JETP Lett.
68
,
36
(
1998
).
12.
S. V.
Bulanov
,
T. Z.
Esirkepov
,
N. M.
Naumova
, and
V. A.
Vshivkov
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3440
(
1999
).
13.
D.
Farina
and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5289
(
2001
).
14.
T. Z.
Esirkepov
,
K.
Nishihara
,
S. V.
Bulanov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
275002
(
2002
).
15.
S. V.
Bulanov
,
M.
Lontano
,
T. Z.
Esirkepov
,
F.
Pegoraro
, and
A. M.
Pukhov
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3562
(
1996
).
16.
D. N.
Yue
,
M.
Chen
,
P. F.
Geng
,
X. H.
Yuan
,
S. M.
Weng
,
S. S.
Bulanov
,
S. V.
Bulanov
,
K.
Mima
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas
28
,
042303
(
2021
).
17.
W. B.
Mori
,
C.
Joshi
,
J. M.
Dawson
,
D. W.
Forslund
, and
J. M.
Kindel
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
1298
(
1988
).
18.
B. I.
Cohen
,
B. F.
Lasinski
,
A. B.
Langdon
, and
J. C.
Cummings
,
Phys. Fluids B
3
,
766
(
1991
).
19.
A. B.
Borisov
,
A. V.
Borovskiy
,
O. B.
Shiryaev
,
V. V.
Korobkin
,
A. M.
Prokhorov
,
J. C.
Solem
,
T. S.
Luk
,
K.
Boyer
, and
C. K.
Rhodes
,
Phys. Rev. A
45
,
5830
(
1992
).
20.
K.
Krushelnick
,
A.
Ting
,
C. I.
Moore
,
H. R.
Burris
,
E.
Esarey
,
P.
Sprangle
, and
M.
Baine
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4047
(
1997
).
21.
F.
Cattani
,
A.
Kim
,
D.
Anderson
, and
M.
Lisak
,
Phys. Rev. E
64
,
016412
(
2001
).
22.
A.
Kim
,
M.
Tushentsov
,
F.
Cattani
,
D.
Anderson
, and
M.
Lisak
,
Phys. Rev. E
65
,
036416
(
2002
).
23.
N.
Naseri
,
W.
Rozmus
, and
D.
Pesme
,
Phys. Plasmas
23
,
113101
(
2016
).
24.
V. F.
Kovalev
and
V. Y.
Bychenkov
,
Phys. Rev. E
99
,
043201
(
2019
).
25.
P.
Valenta
,
G. M.
Grittani
,
C. M.
Lazzarini
,
O.
Klimo
, and
S. V.
Bulanov
, in
Laser Acceleration of Electrons, Protons, and Ions VI
, edited by
S. S.
Bulanov
,
J.
Schreiber
, and
C. B.
Schroeder
(International Society for Optics and Photonics,
SPIE
,
2021
), Vol.
11779
, p.
1177909
.
26.
P.
Michel
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
B. A.
Shadwick
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
13
,
113112
(
2006
).
27.
J.
Vieira
and
J. T.
Mendonça
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
215001
(
2014
).
28.
G. B.
Zhang
,
M.
Chen
,
C. B.
Schroeder
,
J.
Luo
,
M.
Zeng
,
F. Y.
Li
,
L. L.
Yu
,
S. M.
Weng
,
Y. Y.
Ma
,
T. P.
Yu
,
Z. M.
Sheng
, and
E.
Esarey
,
Phys. Plasmas
23
,
033114
(
2016
).
29.
Z. Y.
Xu
,
C. F.
Xiao
,
H. Y.
Lu
,
R. H.
Hu
,
J. Q.
Yu
,
Z.
Gong
,
Y. R.
Shou
,
J. X.
Liu
,
C. Z.
Xie
,
S. Y.
Chen
,
H. G.
Lu
,
T. Q.
Xu
,
R. X.
Li
,
N.
Hafz
,
S.
Li
,
Z.
Najmudin
,
P. P.
Rajeev
,
D.
Neely
, and
X. Q.
Yan
,
Phys. Rev. Accel. Beams
23
,
091301
(
2020
).
30.
X.
Zhang
,
B.
Shen
,
L.
Zhang
,
J.
Xu
,
X.
Wang
,
W.
Wang
,
L.
Yi
, and
Y.
Shi
,
New J. Phys.
16
,
123051
(
2014
).
31.
C.
Brabetz
,
S.
Busold
,
T.
Cowan
,
O.
Deppert
,
D.
Jahn
,
O.
Kester
,
M.
Roth
,
D.
Schumacher
, and
V.
Bagnoud
,
Phys. Plasmas
22
,
013105
(
2015
).
32.
W. P.
Wang
,
C.
Jiang
,
H.
Dong
,
X. M.
Lu
,
J. F.
Li
,
R. J.
Xu
,
Y. J.
Sun
,
L. H.
Yu
,
Z.
Guo
,
X. Y.
Liang
,
Y. X.
Leng
,
R. X.
Li
, and
Z. Z.
Xu
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
034801
(
2020
).
33.
N.
Jain
,
T. M.
Antonsen
, and
J. P.
Palastro
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
195001
(
2015
).
34.
N.
Jain
,
Phys. Plasmas
26
,
023107
(
2019
).
35.
T. Z.
Zhao
,
K.
Behm
,
C. F.
Dong
,
X.
Davoine
,
S. Y.
Kalmykov
,
V.
Petrov
,
V.
Chvykov
,
P.
Cummings
,
B.
Hou
,
A.
Maksimchuk
,
J. A.
Nees
,
V.
Yanovsky
,
A. G.
Thomas
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
094801
(
2016
).
36.
G.
Stancari
,
A.
Valishev
,
G.
Annala
,
G.
Kuznetsov
,
V.
Shiltsev
,
D. A.
Still
, and
L. G.
Vorobiev
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
084802
(
2011
).
37.
S. V.
Bulanov
and
A. S.
Sakharov
,
JETP Lett.
54
,
203
(
1991
).
38.
S. V.
Bulanov
,
F.
Pegoraro
, and
A. M.
Pukhov
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
710
(
1995
).
39.
B. A.
Shadwick
,
G. M.
Tarkenton
,
E. H.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
30
,
38
(
2002
).
40.
N. H.
Matlis
,
S.
Reed
,
S. S.
Bulanov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalintchenko
,
T.
Matsuoka
,
P.
Rousseau
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
,
S.
Kalmykov
,
G.
Shvets
, and
M. C.
Downer
,
Nat. Phys.
2
,
749
(
2006
).
41.
A.
Maksimchuk
,
S.
Reed
,
S. S.
Bulanov
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalintchenko
,
T.
Matsuoka
,
C.
McGuffey
,
G.
Mourou
,
N.
Naumova
,
J.
Nees
,
P.
Rousseau
,
V.
Yanovsky
,
K.
Krushelnick
,
N. H.
Matlis
,
S.
Kalmykov
,
G.
Shvets
,
M. C.
Downer
,
C. R.
Vane
,
J. R.
Beene
,
D.
Stracener
, and
D. R.
Schultz
,
Phys. Plasmas
15
,
056703
(
2008
).
42.
M. C.
Downer
,
R.
Zgadzaj
,
A.
Debus
,
U.
Schramm
, and
M. C.
Kaluza
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
035002
(
2018
).
43.
S. C.
Wilks
,
J. M.
Dawson
,
W. B.
Mori
,
T.
Katsouleas
, and
M. E.
Jones
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
2600
(
1989
).
44.
T. Z.
Esirkepov
,
S. V.
Bulanov
,
M.
Yamagiwa
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
014803
(
2006
).
45.
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
).
46.
A.
Akhiezer
and
R.
Polovin
,
Sov. Phys. JETP
3
,
696
(
1956
).
47.
J. P.
Boris
, in
Proceedings of the Fourth Conference on Numerical Simulation of Plasmas
(
Office of Naval Research
,
Arlington, VA
,
1971
), pp.
3
67
.
48.
K. S.
Yee
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
14
,
302
(
1966
).
49.
R.
Courant
,
K.
Friedrichs
, and
H.
Lewy
,
Math. Ann.
100
,
32
(
1928
).
50.
T. M.
Antonsen
and
P.
Mora
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
2204
(
1992
).
51.
P.
Sprangle
,
E.
Esarey
,
J.
Krall
, and
G.
Joyce
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
2200
(
1992
).
52.
N.
Andreev
,
L.
Gorbunov
,
V.
Kirsanov
,
A.
Pogosova
,
R.
Ramazashvili
, and
D.
Parsons
,
JETP Lett.
55
,
571
(
1992
).
53.
W. B.
Mori
,
C. D.
Decker
,
D. E.
Hinkel
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
1482
(
1994
).
54.
D.
Kaganovich
,
D. F.
Gordon
, and
A.
Ting
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
215002
(
2008
).
55.
L.
Zhang
,
L. M.
Chen
,
W. M.
Wang
,
W. C.
Yan
,
D. W.
Yuan
,
J. Y.
Mao
,
Z. H.
Wang
,
C.
Liu
,
Z. W.
Shen
,
A.
Faenov
,
T.
Pikuz
,
D. Z.
Li
,
Y. T.
Li
,
Q. L.
Dong
,
X.
Lu
,
J. L.
Ma
,
Z. Y.
Wei
,
Z. M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
014104
(
2012
).
56.
B. B.
Pollock
,
F. S.
Tsung
,
F.
Albert
,
J. L.
Shaw
,
C. E.
Clayton
,
A.
Davidson
,
N.
Lemos
,
K. A.
Marsh
,
A.
Pak
,
J. E.
Ralph
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
055004
(
2015
).
57.
X.
Yang
,
E.
Brunetti
,
D. R.
Gil
,
G. H.
Welsh
,
F. Y.
Li
,
S.
Cipiccia
,
B.
Ersfeld
,
D. W.
Grant
,
P. A.
Grant
,
M. R.
Islam
,
M. P.
Tooley
,
G.
Vieux
,
S. M.
Wiggins
,
Z. M.
Sheng
, and
D. A.
Jaroszynski
,
Sci. Rep.
7
,
43910
(
2017
).
58.
E.
Brunetti
,
X.
Yang
,
F. Y.
Li
,
D.
Reboredo Gil
,
G. H.
Welsh
,
S.
Cipiccia
,
B.
Ersfeld
,
D. W.
Grant
,
P. A.
Grant
,
M. R.
Islam
,
M.
Shahzad
,
M. P.
Tooley
,
G.
Vieux
,
S. M.
Wiggins
,
Z. M.
Sheng
, and
D. A.
Jaroszynski
, in
Laser Acceleration of Electrons, Protons, and Ions IV
, edited by
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
F. J.
Grüner
(International Society for Optics and Photonics,
SPIE
,
2017
), Vol.
10240
, p.
102400P
.
59.
K.
Behm
,
A.
Hussein
,
T. Z.
Zhao
,
S.
Dann
,
B. X.
Hou
,
V.
Yanovsky
,
J.
Nees
,
A.
Maksimchuk
,
W.
Schumaker
,
A. G.
Thomas
, and
K.
Krushelnick
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
61
,
065012
(
2019
).
60.
F.
Salehi
,
M.
Le
,
L.
Railing
,
M.
Kolesik
, and
H. M.
Milchberg
,
Phys. Rev. X
11
,
021055
(
2021
).
You do not currently have access to this content.