High Power Laser Science and Engineering, Volume. 13, Issue 1, 010000e3(2025)

Advanced plasma target from pre-ionized low-density foam for effective and robust direct laser acceleration of electrons

Olga N. Rosmej1,2,3、*, Mikhail Gyrdymov2, Nikolay E. Andreev4,5, Parysatis Tavana2,6, Vyacheslav Popov4, Nataliya G. Borisenko7, Alexandr I. Gromov7, Sergey Yu. Gus’kov7, Rafael Yakhin7, Galina A. Vegunova7, Nikolai Bukharskii7,8, Philipp Korneev7,8, Jakub Cikhardt9, Sero Zähter2,10, Sebastian Busch2, Joachim Jacoby2,3, Vladimir G. Pimenov11, Christian Spielmann6, and Alexander Pukhov12
Author Affiliations
  • 1GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt, Germany
  • 2Goethe University, Frankfurt, Germany
  • 3Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR, Frankfurt, Germany
  • 4Joint Institute for High Temperatures, RAS, Moscow, Russia
  • 5Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Dolgoprudny, Russia
  • 6Institute of Optics and Quantum Electronics (IOQ), University Jena, Jena, Germany
  • 7P.N. Lebedev Physical Institute RAS, Moscow, Russia
  • 8National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia
  • 9Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague 6, Czech Republic
  • 10Focused Energy GmbH, Darmstadt, Germany
  • 11N.D. Zelinsky Institute for Organic Chemistry RAS, Moscow, Russia
  • 12Heinrich-Heine-University Düsseldorf, Düsseldorf, Germany
  • show less
    References(58)

    [1] A. Pukhov, Z.-M. Sheng, J. Meyer-ter-Vehn. Phys. Plasmas, 6, 2847(1999).

    [2] A. Pukhov. Rep. Prog. Phys., 66, 47(2003).

    [3] S. P. D. Mangles, B. R. Walton, M. Tzoufras, Z. Najmudin, R. J. Clarke, A. E. Dangor, R. G. Evans, S. Fritzler, A. Gopal, C. Hernandez-Gomez, W. B. Mori, W. Rozmus, M. Tatarakis, A. G. R. Thomas, F. S. Tsung, M. S. Wei, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 94, 245001(2005).

    [4] F. Albert, N. Lemos, J. L. Shaw, P. M. King, B. B. Pollock, C. Goyon, W. Schumaker, A. M. Saunders, K. A. Marsh, A. Pak, J. E. Ralph, J. L. Martins, L. D. Amorim, R. W. Falcone, S. H. Glenzer, J. D. Moody, C. Joshi. Phys. Plasmas, 25, 056706(2018).

    [5] P. M. King, K. Miller, N. Lemos, J. L. Shaw, B. F. Kraus, M. Thibodeau, B. M. Hegelich, J. Hinojosa, P. Michel, C. Joshi, K. A. Marsh, W. Mori, A. Pak, A. G. R. Thomas, F. Albert. Phys. Rev. Accel. Beams, 24, 011302(2021).

    [6] M. A. Stoyer, T. C. Sangster, E. A. Henry, M. D. Cable, T. E. Cowan, S. P. Hatchett, M. H. Key, M. J. Moran, D. M. Pennington, M. D. Perry, T. W. Phillips, M. S. Singh, R. A. Snavely, M. Tabak, S. C. Wilks. Rev. Sci. Instrum., 72, 767(2001).

    [7] H. Chen, A. Link, Y. Sentoku, P. Audebert, F. Fiuza, A. Hazi, R. F. Heeter, M. Hill, L. Hobbs, A. J. Kemp, G. E. Kemp, S. Kerr, D. D. Meyerhofer, J. Myatt, S. R. Nagel, J. Park, R. Tommasini, G. J. Williams. Phys. Plasmas, 22, 056705(2015).

    [8] D. Raffestin, L. Lecherbourg, I. Lantuéjoul, B. Vauzour, P. E. Masson-Laborde, X. Davoine, N. Blanchot, J. L. Dubois, X. Vaisseau, E. d’Humières, L. Gremillet, A. Duval, Ch. Reverdin, B. Rosse, G. Boutoux, J. E. Ducret, Ch. Rousseaux, V. Tikhonchuk, D. Batani. Matter Radiat. Extremes, 6, 056901(2021).

    [9] L. Willingale, A. G. R. Thomas, P. M. Nilson, H. Chen, J. Cobble, R. S. Craxton, A. Maksimchuk, P. A. Norreys, T. C. Sangster, R. H. H. Scott, C. Stoeckl, C. Zulick, K. Krushelnick. New J. Phys., 15, 025023(2013).

    [10] A. E. Hussein, A. V. Arefiev, T. Batson, H. Chen, R. S. Craxton, A. S. Davies, D. H. Froula, Z. Gong, D. Haberberger, Y. Ma, P. M. Nilson, W. Theobald, T. Wang, K. Weichman, G. J. Williams, L. Willingale. New J. Phys., 23, 023031(2021).

    [11] L. Willingale, A.V. Arefiev, G. J. Williams, H. Chen, F. Dollar, A. U. Hazi, A. Maksimchuk, M. J.-E. Manuel, E. Marley, W. Nazarov, T. Z. Zhao, C. Zulick. New J. Phys., 20, 093024(2018).

    [12] O. N. Rosmej, N. E. Andreev, S. Zaehter, N. Zahn, P. Christ, B. Borm, T. Radon, A. Sokolov, L. P. Pugachev, D. Khaghani, F. Horst, N. G. Borisenko, G. Sklizkov, V. G. Pimenov. New J. Phys., 21, 043044(2019).

    [13] O. N. Rosmej, M. Gyrdymov, M. M. Günther, N. E. Andreev, P. Tavana, P. Neumayer, S. Zähter, N. Zahn, V. S. Popov, N. G. Borisenko, A. Kantsyrev, A. Skobliakov, V. Panyushkin, A. Bogdanov, F. Consoli, X. F. Shen, A. Pukhov. Plasma Phys. Control. Fusion, 62, 115024(2020).

    [14] L. P. Pugachev, N. E. Andreev, P. R. Levashov, O. N. Rosmej. Nucl. Instrum. Methods A, 829, 88(2016).

    [15] L. P. Pugachev, N. E. Andreev. J. Phys.: Conf. Ser., 1147, 012080(2019).

    [16] J. H. Bin, M. Yeung, Z. Gong, H. Y. Wang, C. Kreuzer, M. L. Zhou, M. J. V. Streeter, P. S. Foster, S. Cousens, B. Dromey, J. Meyer-ter-Vehn, M. Zepf, J. Schreiber. Phys. Rev. Lett., 120, 074801(2018).

    [17] Y. Shou, P. Wang, S. G. Lee, Y. J. Rhee, H. W. Lee, J. W. Yoon, J. H. Sung, S. K. Lee, Z. Pan, D. Kong, Z. Mei, J. Liu, S. Xu, Z. Deng, W. Zhou, T. Tajima, I. W. Choi, X. Yan, C. Hee Nam, W. Ma. Nat. Photonics, 17, 137(2022).

    [18] N. E. Andreev, V. S. Popov, O. N. Rosmej, A. A. Kuzmin, A. A. Shaykin, E. A. Khazanov, A. V. Kotov, N. G. Borisenko, M. V. Starodubtsev, A. A. Soloviev. Quantum Electron., 51, 1019(2021).

    [19] N. E. Andreev, I. R. Umarov, V. S. Popov. Bull. Lebedev Phys. Inst., 50, 797(2023).

    [20] R. Huang, L. Han, Y. Shou, D. Wang, T. Yu, J. Yu, X. Yan. Opt. Lett., 48, 819(2023).

    [21] A. M. Khalenkov, N. G. Borisenko, V. N. Kondrashov, Yu. A. Merkuliev, J. Limpouch, V. G. Pimenov. Laser Part. Beams, 24, 283(2006).

    [22] N. G. Borisenko, A. M. Khalenkov, V. Kmetik, J. Limpouch, Yu. A. Merkuliev, V. G. Pimenov. Fusion Sci. Technol., 51, 655(2007).

    [23] N. G. Borisenko, A. A. Akunets, L. A. Borisenko, A. I. Gromov, A. S. Orekhov, A. V. Pastukhov, V. G. Pimenov, S. M. Tolokonnikov, G. V. Sklizkov. J. Phys.: Conf. Ser., 1692, 012026(2020).

    [24] O. N. Rosmej, N. Suslov, D. Martsovenko, G. Vergunova, N. Borisenko, N. Orlov, T. Rienecker, D. Klir, K. Rezack, A. Orekhov. Plasma Phys. Control. Fusion, 57, 094001(2015).

    [25] S. N. Chen, T. Iwawaki, K. Morita, P. Antici, S. D. Baton, F. Filippi, H. Habara, M. Nakatsutsumi, P. Nicolaï, W. Nazarov, C. Rousseaux, M. Starodubstev, K. A. Tanaka, J. Fuchs. Sci. Rep., 6, 21495(2016).

    [26] S. Yu. Gus'kov, A. Caruso, V. B. Rozanov, C. Strangio. Quantum Electron., 30, 191(2000).

    [27] S. Yu. Gus’kov, J. Limpouch, Ph. Nicolaï, V. T. Tikhonchuk. Phys. Plasmas, 18, 103114(2011).

    [28] S. Depierreux, C. Labaune, D. T. Michel, C. Stenz, P. Nicolai, M. Grech, G. Riazuelo, S. Weber, C. Riconda, V. T. Tikhonchuk, P. Loiseau, N. G. Borisenko, W. Nazarov, S. Huller, D. Pesme, M. Casanova, J. Limpouch, C. Meyer, P. Di-Nicola, R. Wrobel, E. Alozy, P. Romary, G. Thiell, G. Soullie, C. Reverdin, B. Villette. Phys. Rev. Lett., 102, 195005(2009).

    [29] J. Colvin, H. Matsukuma, K. Brown, J. Davis, G. Kemp, K. Koga, N. Tanaka, A. Yogo, Z. Zhang, H. Nishimura, K. Fournier. Phys. Plasmas, 25, 032702(2018).

    [30] O. S. Jones, G. E. Kemp, S. H. Langer, B. J. Winjum, R. L. Berger, J. S. Oakdale, M. A. Belyaev, J. Biener, M. M. Biener, D. A. Mariscal, J. L. Milovich, M. Stadermann, P. A. Sterne, S. C. Wilk. Phys. Plasmas, 28, 022709(2021).

    [31] V. Bagnoud, B. Aurand, A. Blazevic, S. Borneis, C. Bruske, B. Ecker, U. Eisenbarth, J. Fils, A. Frank, E. Gaul, S. Goette, C. Haefner, T. Hahn, K. Harres, H.-M. Heuck, D. Hochhaus, D. H. H. Hoffmann, D. Javorková, H.-J. Kluge, T. Kuehl, S. Kunzer, M. Kreutz, T. Merz-Mantwill, P. Neumayer, E. Onkels, D. Reemts, O. Rosmej, M. Roth, T. Stoehlker, A. Tauschwitz, B. Zielbauer, D. Zimmer, K. Witte. Appl. Phys. B, 100, 137(2010).

    [32] J. Ren, Z. Deng, W. Qi, B. Chen, B. Ma, X. Wang, S. Yin, J. Feng, W. Liu, Z. Xu, D. H. H. Hoffmann, S. Wang, Q. Fan, B. Cui, S. He, Z. Cao, Z. Zhao, L. Cao, Y. Gu, S. Zhu, R. Cheng, X. Zhou, G. Xiao, H. Zhao, Y. Zhang, Z. Zhang, Y. Li, D. Wu, W. Zhou. Nat. Commun., 11, 5157(2020).

    [33] X. F. Shen, A. Pukhov, M. M. Günther, O. N. Rosmej. Appl. Phys. Lett., 118, 134102(2021).

    [34] O. N. Rosmej, X. F. Shen, A. Pukhov, L. Antonelli, F. Barbato, M. Gyrdymov, M. M. Günther, S. Zähter, V. S. Popov, N. G. Borisenko, N. E. Andreev. Matter Radiat. Extremes, 6, 048401(2021).

    [35] J. Cikhardt, M. Gyrdymov, S. Zähter, P. Tavana, M. M. Günther, N. Bukharskii, N. Borisenko, J. Jacoby, X. F. Shen, A. Pukhov, N. E. Andreev, O. N. Rosmej. Matter Radiat. Extremes, 9, 027201(2024).

    [36] M. Gyrdymov, J. Cikhardt, P. Tavana, N. G. Borisenko, S. Yu. Gus'kov, R. A. Yakhin, G. A. Vegunova, W. Wei, J. Ren, Y. Zhao, D. H. H. Hoffmann, Z. Deng, W. Zhou, R. Cheng, J. Yang, J. Novotny, X. Shen, A. Pukhov, J. Jacoby, C. Spielmann, V. S. Popov, M. E. Veysman, N. E. Andreev, O. N. Rosmej. Sci. Rep., 14, 14785(2024).

    [37] M. M. Günther, O. N. Rosmej, P. Tavana, M. Gyrdymov, A. Skobliakov, A. Kantsyrev, S. Zähter, N. G. Borisenko, A. Pukhov, N. E. Andreev. Nat. Commun., 13, 170(2022).

    [38] P. Tavana, N. Bukharskii, M. Gyrdymov, U. Spillmann, Ş. Zähter, J. Cikhardt, N. G. Borisenko, Ph. Korneev, J. Jacoby, C. Spielmann, N. E. Andreev, M. M. Günther, O. N. Rosmej. Front. Phys., 11(2023).

    [39] S. Yu. Gus'kov, V. B. Rozanov. Quantum Electron., 27, 696(1997).

    [40] G. A. Vergunova, V. B. Rosanov, O. B. Denisov, N. Yu. Orlov, O. N. Rosmej. Plasma Emission, 39, 755(2013).

    [41] T. Bonnet, M. Comet, D. Denis-Petit, F. Gobet, F. Hannachi, M. Tarisien, M. Versteegen, M. M. Aléonard. Rev. Sci. Instrum., 84, 103510(2013).

    [42] S. Yu. Gus’kov, R. A. Yakhin. Matter Radiat. Extremes, 9, 016601(2024).

    [43] S. Yu. Gus'kov, M. Cipriani, R. De Angelis, F. Consoli, A. A. Rupasov, P. Andreoli, G. Cristofari, G. Di Giorgio. Plasma Phys. Control. Fusion, 57, 125004(2015).

    [44] S. Yu. Gus’kov, R. A. Yakhin. Phys. Plasmas, 30, 062709(2023).

    [45] V. B. Rozanov, G. A. Vergunova. J. Exp. Theor. Phys., 121, 747(2015).

    [46] J. Denavit, D. W. Phillion. Phys. Plasmas, 1, 1971(1994).

    [47] S. Yu. Gus’kov, P. A. Kuchugov, R. A. Yakhin. Phys. Plasmas, 28, 092108(2021).

    [48] A. Pukhov. J. Plasma Phys., 61, 425(1999).

    [49] C. E. Max, J. Arons, A. B. Langdon. Phys. Rev. Lett., 33, 209(1974).

    [50] A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn. Phys. Rev. Lett., 76, 3975(1996).

    [51] M. Borghesi, A. J. MacKinnon, L. Barringer, R. Gaillard, L. A. Gizzi, C. Meyer, O. Willi, A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn. Phys. Rev. Lett., 78, 879(1997).

    [52] R. Babjak, B. Martinez, M. Krus, M. Vranic. New J. Phys, 26, 093002(2024).

    [53] D. R. Rusby, A. J. Kemp, S. C. Wilks, K. G. Miller, M. Sherlock, H. Chen, R. A. Simpson, D. A. Mariscal, K. Swanson, B. Z. Djordjevi, A. J. Link, G. J. Williams, A. J. Mackinnon. Phys. Plasmas, 31, 040503(2024).

    [54] R. Babjak, L. Willingale, A. Arefiev, M. Vranic. Phys. Rev. Lett., 132, 125001(2024).

    [55] A. B. Borisov, O. B. Shiryaev, A. McPherson, K. Boyer, C. K. Rhodes. Plasma Phys. Control. Fusion, 37, 569(1995).

    [56] T. W. Huang, C. T. Zhou, A. P. L. Robinson, B. Qiao, H. Zhang, S. Z. Wu, H. B. Zhuo, P. A. Norreys, X. T. He. Phys. Rev. E, 92, 053106(2015).

    [57] X. F. Shen, A. Pukhov, O. N. Rosmej, N. E. Andreev. Phys. Rev. Appl., 18, 064091(2022).

    [58] H. Tang, K. Tangtartharakul, R. Babjak, I.-L. Yeh, F. Albert, H. Chen, P. T. Campbell, Y. Ma, P. M. Nilson, B. K. Russell, J. L. Shaw, A. G. R. Thomas, M. Vranic, A. V. Arefiev, L. Willingale. New J. Phys., 26, 053010(2024).

    Tools

    Get Citation

    Copy Citation Text

    Olga N. Rosmej, Mikhail Gyrdymov, Nikolay E. Andreev, Parysatis Tavana, Vyacheslav Popov, Nataliya G. Borisenko, Alexandr I. Gromov, Sergey Yu. Gus’kov, Rafael Yakhin, Galina A. Vegunova, Nikolai Bukharskii, Philipp Korneev, Jakub Cikhardt, Sero Zähter, Sebastian Busch, Joachim Jacoby, Vladimir G. Pimenov, Christian Spielmann, Alexander Pukhov. Advanced plasma target from pre-ionized low-density foam for effective and robust direct laser acceleration of electrons[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2025, 13(1): 010000e3

    Download Citation

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

    Category: Research Articles

    Received: Jul. 23, 2024

    Accepted: Nov. 18, 2024

    Posted: Nov. 20, 2024

    Published Online: Feb. 26, 2025

    The Author Email: Olga N. Rosmej (o.rosmej@gsi.de)

    DOI:10.1017/hpl.2024.85

    Topics