Abstract

X ray radiation as high as 50 keV, including Kα of Ba and Mo, have been observed from a solid target during the interaction of low energy 0.65mJ, 1 kHz 40 femtosecond laser pulses focused in air at atmospheric pressure. Energetic electrons generating such x rays are possibly produced when the field strength in laser pulse wake exceeds the runaway threshold in air. Two dimensional particle-in-cell simulations that include optical field ionization of air and elastic collisions support this mechanism.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
    [CrossRef]
  2. W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
    [CrossRef]
  3. S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
    [CrossRef]
  4. A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
    [CrossRef]
  5. A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
    [CrossRef]
  6. A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
    [CrossRef]
  7. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
    [CrossRef]

2010

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

2006

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

2004

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

1996

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

1992

A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
[CrossRef]

Burgy, F.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Chefonov, O. V.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Esarey, E.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

Esirkepov, T.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Faenov, A. Ya.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Faure, J.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Gasilov, S. V.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Geddes, C. G. R.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Glinec, Y.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Gonsalves, A. J.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Gordienko, S.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Gurevich, A. V.

A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
[CrossRef]

Hooker, S. M.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Hosokai, T.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Kaluza, M. C.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Kiselev, S.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Koga, J.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Komarov, P. S.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Krall, J.

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

Krushelnick, K.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Leemans, W. P.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Lefebvre, E.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Lindau, F.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Lundh, O.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Malka, V.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Mangles, S. P. D.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Milikh, G. M.

A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
[CrossRef]

Mori, W. B.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Nagler, B.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Najmudin, Z.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Nakamura, K.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Ovchinnikov, A. V.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Persson, A.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Pikuz, S. A.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Pukhov, A.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Rousseau, J.-P.

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Roussel-Dupre, R.

A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
[CrossRef]

Schroeder, C. B.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Skobelev, I. Yu.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Sprangle, P.

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

Tajima, T.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Thomas, A. G. R.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Ting, A.

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

Tóth, Cs.

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Tsung, F. S.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Uesaka, M.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Wahlström, C.-G.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Zhidkov, A.

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Zhidkov, A. G.

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

IEEE Trans. Plasma Sci.

E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252 (1996).
[CrossRef]

JETP Letters

A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. G. Zhidkov, I. Yu. Skobelev, P. S. Komarov, O. V. Chefonov, S. V. Gasilov, and A. V. Ovchinnikov, JETP Letters 92, 375 (2010).
[CrossRef]

Nature

J. Faure, J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, Nature 431, 541 (2004).
[CrossRef]

Nature Physics

W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Cs. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, and S. M. Hooker, Nature Physics 2, 696 (2006).
[CrossRef]

Phys. Lett. A

A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupre, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
[CrossRef]

Phys. Rev. E

A. Zhidkov, J. Koga, T. Esirkepov, T. Hosokai, M. Uesaka, and T. Tajima, Phys. Rev. E 69, 066408 (2004).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, F. S. Tsung, Z. Najmudin, W. B. Mori, C.-G. Wahlström, and K. Krushelnick, Phys. Rev. Lett. 96, 215001 (2006).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Experimental setup.

Fig. 2.
Fig. 2.

Images of laser plasma sparks excited by 40 femtosecond laser pulses in air depending on pulse energy. Position of the solid target within the air spark providing the maximum yield of hard x ray photons is shown in lower part.

Fig. 3.
Fig. 3.

X ray spectrum from (a) BaF2 and (b) Mo targets positioned in the center of the air spark excited by femtosecond laser pulses of 400–660 μJ energies. The pulse duration was 40 fs for BaF2 target and varied from 40 to 250 fs for Mo target. Gray fitting curves correspond to plasma emission spectra with a temperature of 6.7 (a) and 5 keV (b) of energetic electrons.

Fig. 4.
Fig. 4.

Spatial distribution of absolute values of (a) x–components and (b) the electron density in air plasma after the focus position; (c) electron energy distribution just after the laser pulse near the focus point (1) and 2 ps later (2). Simulations were done for the pulse intensity of I=5×1016W/cm2 and pulse duration of τ=40fs.

Metrics