High Power Laser Science and Engineering, Volume. 13, Issue 4, 04000e60(2025)

A fully three-dimensional kinetic particle-in-cell framework for modeling laser–dielectric interactions: few-cycle pulse damage

Joseph R. Smith1, Ziyao Su2, Simin Zhang2, Charles Varin3, Vitaly E. Gruzdev4, and Enam A. Chowdhury2,5,6
Author Affiliations
  • 1Department of Physics, Marietta College, Marietta, Ohio, USA
  • 2Department of Materials Science and Engineering, The Ohio State University, Columbus, Ohio, USA
  • 3https://ror.org/05rxd1q58Cégep de l’Outaouais - CyberQuébec, Gatineau, Canada
  • 4Department of Physics and Astronomy, https://ror.org/05fs6jp91University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA
  • 5Department of Electrical and Computer Engineering, https://ror.org/00rs6vg23The Ohio State University, Columbus, Ohio, USA
  • 6Department of Physics, The Ohio State University, Columbus, Ohio, USA
  • show less
    References(105)

    [2] . Opportunities in Intense Ultrafast Lasers: Reaching for the Brightest Light(2018).

    [4] M. Ferray, A. L’Huillier, X. F. Li, L. A. Lompre, G. Mainfray, C. Manus. J. Phys. B, 21, L31(1988).

    [5] P.-M. Paul, E. S. Toma, P. Breger, G. Mullozt, F. Augé, P. Balcou, H. G. Muller, P. Agostini. Science, 292, 1689(2001).

    [6] M. Hentschel, R. Kienberger, C. Spielmann, G. A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz. Nature, 414, 509(2001).

    [7] T. Brabec, F. Krausz. Rev. Mod. Phys., 72, 545(2000).

    [8] T. Nagy, P. Simon, L. Veisz. Adv. Phys. X, 6, 1845795(2021).

    [9] T. Wittmann, B. Horvath, W. Helml, M. G. Schätzel, X. Gu, A. L. Cavalieri, G. G. Paulus, R. Kienberger. Nat. Phys., 5, 357(2009).

    [10] F. Mackenroth, A. Di Piazza, C. H. Keitel. Phys. Rev. Lett., 105, 063903(2010).

    [11] J. Huijts, I. A. Andriyash, L. Rovige, A. Vernier, J. Faure. Phys. Plasmas, 28, 043101(2021).

    [12] A. Cavagna, M. Eder, E. Chowdhury, A. Kalouguine, J. Kaur, G. Mourou, S. Haessler, R. Lopez-Martens. Opt. Lett., 50, 165(2025).

    [13] B. C. Stuart, M. D. Feit, S. Herman, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, M. D. Perry. J. Opt. Soc. Am. B, 13, 459(1996).

    [14] D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, G. Mourou. Appl. Phys. Lett., 64, 3071(1994).

    [15] M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, Ch. Spielmann, G. M., W. Kautek, F. Krausz. Phys. Rev. Lett., 80, 4076(1998).

    [16] B. Chimier, O. Utéza, N. Sanner, M. Sentis, T. Itina, P. Lassonde, F. Légaré, F. Vidal, J. C. Kieffer. Phys. Rev. B, 84, 094104(2011).

    [17] M. Lenzner, J. Krüger, W. Kautek, F. Krausz. Appl. Phys. A, 68, 369(1999).

    [18] K. R. P. Kafka, N. Talisa, G. Tempea, D. R. Austin, C. Neacsu, E. A. Chowdhury. Opt. Express, 24, 28858(2016).

    [19] N. Sanner, O. Utéza, B. Chimier, M. Sentis, P. Lassonde, F. Légaré, J. C. Kieffer. Appl. Phys. Lett., 96, 071111(2010).

    [20] L. Hoffart, P. Lassonde, F. Légaré, F. Vidal, N. Sanner, O. Utéza, M. Sentis, J.-C. Kieffer, I. Brunette. Opt. Express, 19, 230(2011).

    [21] O. Utéza, N. Sanner, B. Chimier, A. Brocas, N. Varkentina, M. Sentis, P. Lassonde, F. Légaré, J. C. Kieffer. Appl. Phys. A, 105, 131(2011).

    [22] N. Talisa, A. Alshafey, M. Tripepi, J. Krebs, A. Davenport, E. Randel, C. S. Menoni, E. A. Chowdhury. Opt. Lett., 45, 2672(2020).

    [23] M. Kowalczyk, N. Nagl, P. Steinleitner, N. Karpowicz, V. Pervak, A. Głuszek, A. Hudzikowski, F. Krausz, K. F. Mak, A. Weigel. Optica, 10, 801(2023).

    [24] D. Hui, H. Alqattan, S. Zhang, V. Pervak, E. Chowdhury, M. Th. Hassan. Sci. Adv., 9, eadf1015(2023).

    [25] L. Argenti, M. Chini, L. Fang. Proceedings of the 8th International Conference on Attosecond Science and Technology(2024).

    [26] J. R. Peñano, P. Sprangle, B. Hafizi, W. Manheimer, A. Zigler. Phys. Rev. E, 72, 036412(2005).

    [27] S. Zhang, A. Davenport, N. Talisa, J. R. Smith, C. S. Menoni, V. E. Gruzdev, E. A. Chowdhury. Proc. SPIE, 11514, 115141T(2020).

    [28] S. Zhang, C. Menoni, V. Gruzdev, E. Chowdhury. Nanomaterials, 12, 1259(2022).

    [29] C. K. Birdsall, A. B. Langdon. Plasma Physics via Computer Simulation(2004).

    [30] R. Hockney, J. Eastwood. Computer Simulations Using Particles(1988).

    [31] 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, C. P. Ridgers. Plasma Phys. Control. Fusion, 57, 113001(2015).

    [32] T. Ziegler, I. Göthel, S. Assenbaum, C. Bernert, F.-E. Brack, T. E. Cowan, N. P. Dover, L. Gaus, T. Kluge, S. Kraft, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, M. Nishiuchi, I. Prencipe, T. Püschel, M. Rehwald, M. Reimold, H.-P. Schlenvoigt, M. E. P. Umlandt, M. Vescovi, U. Schramm, K. Zeil. Nat. Phys., 20, 1211(2024).

    [33] R. A. Mitchell, D. W. Schumacher, E. A. Chowdhury. Opt. Lett., 40, 2189(2015).

    [34] G. E. Cochran, P. L. Poole, D. W. Schumacher. Phys. Plasmas, 26, 103103(2019).

    [35] P. B. Corkum. Phys. Rev. Lett., 71, 1994(1993).

    [36] J.-L. Déziel, L. J. Dubé, S. H. Messaddeq, Y. Messaddeq, C. Varin. Phys. Rev. B, 97, 205116(2018).

    [37] W. J. Ding, J. Z. J. Lim, H. T. B. Do, X. Xiong, Z. Mahfoud, C. E. Png, M. Bosman, L. K. Ang, L. Wu. Nanophotonics, 9, 3303(2020).

    [38] H. T. B. Do, D. W. Jun, Z. Mahfoud, W. Lin, M. Bosman. Nanoscale, 13, 2801(2021).

    [39] M. R Shcherbakov, G. Sartorello, S. Zhang, J. Bocanegra, M. Bosch, M. Tripepi, N. Talisa, A. AlShafey, J. Smith, S. Londo, F. Légaré, E. Chowdhury, G. Shvets. Nat. Commun., 14, 6688(2023).

    [40] J. R Smith, S. Zhang, V. E Gruzdev, E. A Chowdhury. Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 1(2021).

    [41] P.-J. Charpin, K. Ardaneh, B. Morel, R. Giust, F. Courvoisier. Opt. Express, 32, 10175(2024).

    [42] L. V. Keldysh. JETP, 20, 1307(1965).

    [43] V. E. Gruzdev. Proc. SPIE, 5506, 138(2004).

    [44] J. R. Smith, C. Orban, N. Rahman, B. McHugh, R. Oropeza, E. A. Chowdhury. Phys. Plasmas, 28, 074505(2021).

    [45] H. Burau, R. Widera, W. Hönig, G. Juckeland, A. Debus, T. Kluge, U. Schramm, T. E. Cowan, R. Sauerbrey, M. Bussmann. IEEE Trans. Plasma Sci., 38, 2831(2010).

    [46] L. Fedeli, A. Huebl, F. Boillod-Cerneux, T. Clark, K. Gott, C. Hillairet, S. Jaure, A. Leblanc, R. Lehe, A. Myers, C. Piechurski, M. Sato, N. Zaim, W. Zhang, J.-L. Vay, H. Vincenti. SC22: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, 1(2022).

    [47] V. E. Gruzdev. Proc. SPIE, 5647, 480(2005).

    [48] A.-C. Tien, S. Backus, H. Kapteyn, M. Murnane, G. Mourou. Phys. Rev. Lett., 82, 3883(1999).

    [49] P. Balling, J. Schou, Rep. Prog. Phys., 76, 036502(2013).

    [50] D. Terzani, P. Londrillo. Comput. Phys. Commun., 242, 49(2019).

    [51] F. Pérez, L. Gremillet, A. Decoster, M. Drouin, E. Lefebvre. Phys. Plasmas, 19, 083104(2012).

    [52] K. Nanbu, S. Yonemura. J. Comput. Phys., 145, 639(1998).

    [53] Y. T. Lee, R. M. More. Phys. Fluids, 27, 1273(1984).

    [54] S. Morris, T. Goffrey, K. Bennett, T. Arber. Phys. Plasmas, 29, 123907(2022).

    [55] L. V. Keldysh. JETP, 21, 1135(1965).

    [56] J.-L. Déziel, L. J. Dubé, C. Varin. Phys. Rev. B, 104, 045201(2021).

    [57] G. M. Petrov, J. Davis. J. Phys. B, 41, 025601(2008).

    [58] B. Rethfeld. Phys. Rev. B, 73, 035101(2006).

    [59] C. Varin, R. Emms, G. Bart, T. Fennel, T. Brabec. Comput. Phys. Commun., 222, 70(2018).

    [60] R. Courant, K. Friedrichs, H. Lewy. Math. Ann., 100, 32(1928).

    [61] R. Courant, K. Friedrichs, H. Lewy. IBM J. Res. Develop., 11, 215(1967).

    [62] W. M. Haynes. CRC Handbook of Chemistry and Physics(2012).

    [63] V. A. Gritsenko, R. M. Ivanov, Y. N. Morokov. J. Exp. Theor. Phys., 81, 1208(1995).

    [64] T. V. Perevalov, V. A. Gritsenko, S. B. Erenburg, A. M. Badalyan, H. Wong, C. W. Kim. J. Appl. Phys., 101, 053704(2007).

    [65] V. Gruzdev. Proc. SPIE, 7842, 784216(2010).

    [66] S. Zhang, M. Tripepi, A. AlShafey, N. Talisa, H. T. Nguyen, B. A. Reagan, E. Sistrunk, D. J. Gibson, D. A. Alessi, E. A. Chowdhury. Opt. Express, 29, 39983(2021).

    [67] C. N. Danson, C. Haefner, J. Bromage, T. Butcher, J.-C. F. Chanteloup, E. A. Chowdhury, A. Galvanauskas, L. A. Gizzi, J. Hein, D. I. Hillier, N. W. Hopps, Y. Kato, E. A. Khazanov, R. Kodama, G. Korn, R. Li, Y. Li, J. Limpert, J. Ma, C. H. Nam, D. Neely, D. Papadopoulos, R. R. Penman, L. Qian, J. J. Rocca, A. A. Shaykin, C. W. Siders, C. Spindloe, S. Szatmári, R. M. G. M. Trines, J. Zhu, P. Zhu, J. D. Zuegel. High Power Laser Sci. Eng., 7, e54(2019).

    [68] P. L. Poole, C. Willis, R. L. Daskalova, K. M. George, S. Feister, S. Jiang, J. Snyder, J. Marketon, D. W. Schumacher, K. U. Akli, L. Van Woerkom, R. R. Freeman, E. A. Chowdhury. Appl. Opt., 55, 4713(2016).

    [69] F. F. Chen. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion(2016).

    [70] K. Werner, V. Gruzdev, N. Talisa, K. Kafka, D. Austin, C. M Liebig, E. Chowdhury. Sci. Rep., 9, 19993(2019).

    [71] P. A. Zhokhov, A. M. Zheltikov. Sci. Rep., 8, 1824(2018).

    [72] P. Stampfli, K. H. Bennemann. Phys. Rev. B, 42, 7163(1990).

    [73] M. Grehn, T. Seuthe, M. Höfner, N. Griga, C. Theiss, A. Mermillod-Blondin, M. Eberstein, H. Eichler, J. Bonse. Opt. Mater. Express, 4, 689(2014).

    [74] H. Wang, H. Qi, J. Zhao, B. Wang, J. Shao. Opt. Commun., 387, 214(2017).

    [75] T. Q. Jia, Z. Z. Xu, R. X. Li, D. H. Feng, X. X. Li, C. F. Cheng, H. Y. Sun, N. S. Xu, H. Z. Wang. J. Appl. Phys., 95, 5166(2004).

    [76] S. Inaba, S. Fujino, K. Morinaga. J. Am. Ceramic Soc., 82, 3501(1999).

    [77] R. P. Drake. High-Energy-Density Physics(2006).

    [78] J. Zhao, J. Sullivan, J. Zayac, T. D. Bennett. J. Appl. Phys., 95, 5475(2004).

    [79] L. Zhao, J. Cheng, M. Chen, X. Yuan, W. Liao, H. Wang, Q. Liu, H. Yang. Results Phys., 12, 1363(2019).

    [80] D. Bäuerle. Laser Processing and Chemistry(2013).

    [81] R. G. Kraus, S. T. Stewart, D. C. Swift, C. A. Bolme, R. F. Smith, S. Hamel, B. D. Hammel, D. K. Spaulding, D. G. Hicks, J. H. Eggert, G. W. Collins. J. Geophys. Res. Planets, 117, E9(2012).

    [82] R. S. Khmyrov, S. N. Grigoriev, A. A. Okunkova, A. V. Gusarov. Phys. Procedia, 56, 345(2014).

    [83] I. S. Grigoriev, E. Z. Meilikhov. Handbook of Physical Quantities(1997).

    [84] G. V. Samsonov. The Oxide Handbook(2013).

    [85] P. Virtanen, R. Gommers, T. E. Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, S. J. van der Walt, M. Brett, J. Wilson, K. J. Millman, N. Mayorov, A. R. J. Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, C. J. Carey, l. Polat, Y. Feng, E. W. Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, E. A. Quintero, C. R. Harris, A. M. Archibald, A. H. Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt. Nat. Methods, 17, 261(2020).

    [86] M. Mero, J. Liu, W. Rudolph, D. Ristau, K. Starke. Phys. Rev. B, 71, 115109(2005).

    [87] H. Wang, H. Qi, J. Zhao, B. Wang, J. Shao. Opt. Commun., 387, 214(2017).

    [88] C. Wang, M. Zinkevich, F. Aldinger. J. Am. Ceramic Soc., 89, 3751(2006).

    [89] W. A. Roth, G. Becker. Z. Phys. Chem., 159A, 1(1932).

    [90] G. L. Humphrey. J. Am. Chem. Soc., 75, 2806(1953).

    [91] E. J. Huber, C. E. Holley. J. Chem. Eng. Data, 13, 252(1968).

    [92] A. N. Kornilov, I. M. Ushakova, E. J. Huber, C. E. Holley. J. Chem. Thermodyn., 7, 21(1975).

    [93] Y. N. Paputskii, V. A. Krzhizhanovaskaya, V. B. Glushkova. Inorg. Mater, 10, 1338(1974).

    [94] M. B. Panish, L. Reif. J. Chem. Phys., 38, 253(1963).

    [95] J. J. Low, N. H. Paulson, M. D’Mello, M. Stan. Calphad, 72, 11(2020).

    [96] G. Geoffroy, G. Duchateau, N. Fedorov, P. Martin, S. Guizard. Laser Phys., 24, 086101(2014).

    [97] G. G. Paulus, W. Becker, W. Nicklich, H. Walther. J. Phys. B, 27, L703(1994).

    [98] G. Duchateau, G. Geoffroy, A. Dyan, H. Piombini, S. Guizard. Phys. Rev. B, 83, 075114(2011).

    [99] D. R. Austin, K. R. P. Kafka, Y. H. Lai, Z. Wang, C. I. Blaga, E. A. Chowdhury. Opt. Lett., 43, 3702(2018).

    [100] J. R. Smith, C. Orban, J. T. Morrison, K. M. George, G. K. Ngirmang, E. A. Chowdhury, W. M. Roquemore. New J. Phys., 22, 103067(2020).

    [102] W. J. Cody, K. A. Paciorek, H. C. Thacher. Math. Comput., 24, 171(1970).

    [104] J. D. Hunter. Comput. Sci. Eng., 9, 90(2007).

    [105] C. R. Harris, K. J. Millman, S. J. van der Walt, R. Gommers, P. Virtanen, D. Cournapeau, E. Wieser, J. Taylor, S. Berg, N. J. Smith, R. Kern, M. Picus, S. Hoyer, M. H. van Kerkwijk, M. Brett, A. Haldane, J. F. del Río, M. Wiebe, P. Peterson, P. Gérard-Marchant, K. Sheppard, T. Reddy, W. Weckesser, H. Abbasi, C. Gohlke, T. E. Oliphant. Nature, 585, 357(2020).

    Tools

    Get Citation

    Copy Citation Text

    Joseph R. Smith, Ziyao Su, Simin Zhang, Charles Varin, Vitaly E. Gruzdev, Enam A. Chowdhury. A fully three-dimensional kinetic particle-in-cell framework for modeling laser–dielectric interactions: few-cycle pulse damage[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2025, 13(4): 04000e60

    Download Citation

    EndNote(RIS)BibTexPlain Text
    Save article for my favorites
    Paper Information

    Category: Research Articles

    Received: Mar. 4, 2025

    Accepted: Jun. 5, 2025

    Published Online: Sep. 15, 2025

    The Author Email:

    DOI:10.1017/hpl.2025.10041

    CSTR:32185.14.hpl.2025.10041

    Topics