We present a parametric scaling of hot electron (HE) generation at quarter critical density from the two-plasmon decay process. The study is conducted with the laser plasma simulation environment code, considering Langmuir decay instabilities (LDI) and laser pump depletion in 2D. The parameter scan is conducted as a function of electron temperature, ion–electron temperature ratio, drive strength, and density scale length. The scaling shows an hot electron (HE) conversion fraction up to 40%, HE fluxes up to 6 × 10 14 W / cm 2, and average temperatures in the range of 30 to 100 keV. The electron angular distributions exhibit two main regions: the plasma “bulk,” characterized by homogeneous emission, up to energies of 30 − 60 keV depending on the individual laser–plasma conditions, and a HE tail after ≃ 50 − 60 keV. The mid-energy electrons are homogeneously emitted toward the end of the plasma bulk and acquire energy through electron plasma wave (EPW) Landau damping from Langmuir wave collapse and LDI cascade. The HE tail has electrons emitted in the forward direction and at low divergence, due to turbulence and EPW Landau damping from multi-staged acceleration. Finally, the laser power transmitted through the quarter critical region reaches values from ∼ 80 % down to ∼ 35 % for increasing HE generation, with absorption due to EPW collisional damping in the range of ∼ 10 % − 35 %.

1.
S.
Atzeni
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
The Physics of Inertial Fusion
(
Oxford Science Publications
,
2004
).
2.
R. S.
Craxton
,
K. S.
Anderson
,
T. R.
Boehly
,
V. N.
Goncharov
,
D. R.
Harding
,
J. P.
Knauer
,
R. L.
McCrory
,
P. W.
McKenty
,
D. D.
Meyerhofer
,
J. F.
Myatt
et al,
Phys. Plasmas
22
,
110501
(
2015
).
3.
N. A.
Popov
,
V. A.
Shcherbakov
,
V. N.
Mineev
,
P. M.
Zaydel
, and
A. I.
Funtikov
,
Phys.-Usp.
51
,
1047
1053
(
2008
).
4.
R.
Betti
,
C. D.
Zhou
,
K. S.
Anderson
,
L. J.
Perkins
,
W.
Theobald
, and
A. A.
Solodov
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
155001
(
2007
).
5.
L. J.
Perkins
,
R.
Betti
,
K. N.
LaFortune
, and
W. H.
Williams
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
045004
(
2009
).
6.
W. L.
Kruer
,
The Physics of Laser Plasma Interactions
(
Westview Press
,
2003
).
7.
M. N.
Rosenbluth
,
Phys. Rev. Lett.
29
,
565
(
1972
).
8.
J. F.
Drake
,
P. K.
Kaw
,
Y. C.
Lee
, and
G.
Schmidt
,
Phys. Fluids
17
,
778
(
1974
).
9.
C. S.
Liu
and
M. N.
Rosenbluth
,
Phys. Fluids
19
,
967
(
1976
).
10.
C. S.
Liu
,
M. N.
Rosenbluth
, and
R. B.
White
,
Phys. Fluids
17
,
1211
(
1974
).
11.
V. E.
Zakharov
,
Sov. Phys. JETP
35
(
5
),
908
914
(
1972
).
12.
H. X.
Vu
,
D. F.
DuBois
,
J. F.
Myatt
, and
D. A.
Russell
,
Phys. Plasmas
19
,
102703
(
2012
).
13.
R.
Yan
,
C.
Ren
,
J.
Li
,
A. V.
Maximov
,
W. B.
Mori
,
Z.-M.
Sheng
, and
F. S.
Tsung
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
175002
(
2012
).
14.
R.
Betti
,
W.
Theobald
,
C. D.
Zhou
,
K. S.
Anderson
,
P. W.
McKenty
,
S.
Skupsky
,
D.
Shvarts
,
V. N.
Goncharov
,
J. A.
Delettrez
,
P. B.
Radha
et al,
J. Phys.: Conf. Ser.
112
,
022024
(
2008
).
15.
W. L.
Shang
,
R.
Betti
,
S. X.
Hu
,
K.
Woo
,
L.
Hao
,
C.
Ren
,
A. R.
Christopherson
,
A.
Bose
, and
W.
Theobald
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
195001
(
2017
).
16.
A. G.
Seaton
and
T. D.
Arber
,
Phys. Plasmas
27
,
082704
(
2020
).
17.
B.
Cheng
,
T. J. T.
Kwan
,
Y. M.
Wang
,
S. A.
Yi
,
S. H.
Batha
, and
F.
Wysocki
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
60
,
074011
(
2018
).
18.
B.
Yaakobi
,
C.
Stoeckl
,
T.
Boehly
,
D. D.
Meyerhofer
, and
W.
Seka
,
Phys. Plasmas
7
,
3714
(
2000
).
19.
M.
Hohenberger
,
W.
Theobald
,
S. X.
Hu
,
K. S.
Anderson
,
R.
Betti
,
T. R.
Boehly
,
A.
Casner
,
D. E.
Fratanduono
,
M.
Lafon
,
D. D.
Meyerhofer
et al,
Phys. Plasmas
21
,
022702
(
2014
).
20.
L.
Antonelli
,
J.
Trela
,
F.
Barbato
,
G.
Boutoux
,
P.
Nicolai
,
D.
Batani
,
V.
Tikhonchuk
,
D.
Mancelli
,
A.
Tentori
,
S.
Atzeni
et al,
Phys. Plasmas
26
,
112708
(
2019
).
21.
A. A.
Solodov
,
M. J.
Rosenberg
,
W.
Seka
,
J. F.
Myatt
,
M.
Hohenberger
,
R.
Epstein
,
C.
Stoeckl
,
R. W.
Short
,
S. P.
Regan
,
P.
Michel
et al,
Phys. Plasmas
27
,
052706
(
2020
).
22.
A. R.
Christopherson
,
R.
Betti
,
C. J.
Forrest
,
J.
Howard
,
W.
Theobald
,
J. A.
Delettrez
,
M. J.
Rosenberg
,
A. A.
Solodov
,
C.
Stoeckl
,
D.
Patel
et al,
Phys. Rev Lett.
127
,
055001
(
2021
).
23.
S.
Weber
,
C.
Riconda
,
O.
Klimo
,
A.
Héron
, and
V. T.
Tikhonchuk
,
Phys. Rev. E
85
,
016403
(
2012
).
24.
R. K.
Follett
,
J. F.
Myatt
,
J. G.
Shaw
,
D. T.
Michel
,
A. A.
Solodov
,
D. H.
Edgell
,
B.
Yaakobi
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Plasmas
24
,
102134
(
2017
).
25.
A.
Tentori
,
A.
Colaitis
,
W.
Theobald
,
A.
Casner
,
D.
Raffestin
,
A.
Ruocco
,
J.
Trela
,
E. L.
Bel
,
K.
Anderson
,
M.
Wei
et al,
Phys. Plasmas
28
,
103302
(
2021
).
26.
A.
Colaitis
,
G.
Duchateau
,
X.
Ribeyre
,
Y.
Maheut
,
G.
Boutoux
,
L.
Antonelli
,
P.
Nicolai
,
D.
Batani
, and
V.
Tikhonchuk
,
Phys. Rev. E
92
,
041101
(
2015
).
27.
J. F.
Myatt
,
J. G.
Shaw
,
R. K.
Follett
,
D. H.
Edgell
,
D. H.
Froula
,
J. P.
Palastro
, and
V. N.
Goncharov
,
J. Comput. Phys.
399
,
108916
(
2019
).
28.
R. K.
Follett
,
J. G.
Shaw
,
J. F.
Myatt
,
D. H.
Froula
, and
J. P.
Palastro
,
Phys. Rev. E
101
,
043214
(
2020
).
29.
R. K.
Follett
,
H.
Wen
,
D. H.
Froula
,
D.
Turnbull
, and
J. P.
Palastro
,
Phys. Rev. E
105
,
L063201
(
2022
).
30.
D.
Turnbull
,
A. V.
Maximov
,
D. H.
Edgell
,
W.
Seka
,
R. K.
Follett
,
J. P.
Palastro
,
D.
Cao
,
V. N.
Goncharov
,
C.
Stoeckl
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
185001
(
2020
).
31.
R.
Dautray
and
J. P.
Watteau
,
La fusion thermonucleaire inertielle par laser. Partie 1
(
Eyrolles
,
1993
).
32.
Y. C.
Lee
and
P. K.
Kaw
,
Phys. Rev. Lett.
32
,
135
(
1974
).
33.
J. F.
Myatt
,
H. X.
Vu
,
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
,
J.
Zhang
,
R. W.
Short
, and
A. V.
Maximov
,
Phys. Plasmas
20
,
052705
(
2013
).
34.
A.
Simon
,
R. W.
Short
,
E. A.
Williams
, and
T.
Dewandre
,
Phys. Fluids
26
,
3107
3118
(
1983
).
35.
R. K.
Follett
,
J. G.
Shaw
,
J. F.
Myatt
,
C.
Dorrer
,
D. H.
Froula
, and
J. P.
Palastro
,
Phys. Plasmas
26
,
062111
(
2019
).
36.
Y.-J.
Gu
,
O.
Klimo
,
V. T.
Tikhonchuk
, and
S.
Weber
,
Nucl. Fusion
61
,
066014
(
2021
).
37.
S. J.
Karttunen
,
Phys. Rev. A
23
,
2006
(
1981
).
38.
T.
Kolber
,
W.
Rozmus
, and
V. T.
Tikhonchuk
,
Phys. Fluids B
5
,
138
(
1993
).
39.
S.
Depierreux
,
C.
Labaune
,
J.
Fuchs
,
D.
Pesme
,
V. T.
Tikhonchuk
, and
H. A.
Baldis
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
045001
(
2002
).
40.
E. A.
Williams
,
R. L.
Berger
,
R. P.
Drake
,
A. M.
Rubenchik
,
B. S.
Bauer
,
D. D.
Meyerhofer
, and
T. W.
Johnston
,
Phys. Plasmas
2
(
1
),
129
138
(
1995
).
41.
D. G.
Swanson
,
Plasma Waves
(
Academic Press
,
2012
).
42.
M. V.
Goldman
,
Rev. Mod. Phys.
56
,
709
(
1984
).
43.
A. B.
Langdon
,
B. F.
Lasinski
, and
W. L.
Kruer
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
133
(
1979
).
44.
H. X.
Vu
,
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
, and
J. F.
Myatt
,
Phys. Plasmas
19
,
102708
(
2012
).
45.
D. F.
DuBois
,
H. A.
Rose
, and
D.
Russell
,
Phys. Scr.
T63
,
16
(
1996
).
46.
H. X.
Vu
,
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
,
J. F.
Myatt
, and
J.
Zhang
,
Phys. Plasmas
21
,
042705
(
2014
).
47.
W.
Theobald
,
A.
Bose
,
R.
Yan
,
R.
Betti
,
M.
Lafon
,
D.
Mangino
,
A. R.
Christopherson
,
C.
Stoeckl
,
W.
Seka
,
W.
Shang
et al,
Phys. Plasmas
24
,
120702
(
2017
).
48.
R. K.
Follett
,
J. A.
Delettrez
,
D. H.
Edgell
,
V. N.
Goncharov
,
R. J.
Henchen
,
J.
Katz
,
D. T.
Michel
,
J. F.
Myatt
,
J.
Shaw
,
A. A.
Solodov
et al,
Phys. Rev. Lett.
116
,
155002
(
2016
).
49.
C.
Riconda
,
S.
Weber
,
V. T.
Tikhonchuk
, and
A.
Heron
,
Phys. Plasmas
18
,
092701
(
2011
).
50.
S.
Weber
and
C.
Riconda
,
High Power Laser Sci. Eng.
3
,
e6
(
2015
).
51.
D.
Turnbull
,
A. V.
Maximov
,
D.
Cao
,
A. R.
Christopherson
,
D. H.
Edgell
,
R. K.
Follett
,
V.
Gopalaswamy
,
J. P.
Knauer
,
J. P.
Palastro
,
A.
Shvydky
et al,
Phys. Plasmas
27
,
102710
(
2020
).
52.
W.
Theobald
,
R.
Nora
,
W.
Seka
,
M.
Lafon
,
K. S.
Anderson
,
M.
Hohenberger
,
F. J.
Marshall
,
D. T.
Michel
,
A. A.
Solodov
,
C.
Stoeckl
et al,
Phys. Plasmas
22
,
056310
(
2015
).
53.
R.
Nora
,
W.
Theobald
,
R.
Betti
,
F. J.
Marshall
,
D. T.
Michel
,
W.
Seka
,
B.
Yaakobi
,
M.
Lafon
,
C.
Stoeckl
,
J.
Delettrez
et al,
Phys. Rev. Lett.
114
,
045001
(
2015
).
You do not currently have access to this content.