Efficiency-optimized relativistic plasma harmonics for extreme fields
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Abstract Bright harmonic radiation from relativistically oscillating laser plasmas offers a direct route for generating extreme electromagnetic fields. Theory predicts that under optimized conditions, the plasma medium can support strong spatiotemporal compression of laser energy in a coherent harmonic focus (CHF), delivering intensity boosts many orders of magnitude greater than the incident driving laser pulse 1–4 . Although diffraction-limited performance 5 (spatial compression) and attosecond phase locking 6–8 (temporal compression) have been demonstrated experimentally, efficient coupling of relativistically intense laser pulse energy into the emitted harmonic cone has not been realized so far. Here we demonstrate that this highly nonlinear interaction can be tailored to deliver the maximum conversion efficiencies predicted from simulations. By fine-tuning the temporal profile of the driving laser on sub-picosecond (<10 −12 s) timescales, energies >9 mJ between the 12th and 47th harmonics are observed. These results are in agreement with the theoretically expected efficiency dependence on harmonic order, verifying that optimal conditions have been achieved in the generation process. This is the important final element required to achieve the expected intensity boosts from a CHF in experiments. Although obtaining spatiotemporal compression and optimal efficiency simultaneously remains challenging, the path to realizing extreme optical field strengths approaching the critical field of quantum electrodynamics (the Schwinger limit at >10 1 6 V cm −1 or >10 29 W cm −2 ) is now open, permitting all-optical studies of the quantum vacuum and new frontiers for intense attosecond science.
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Le contrôle bibliographique ouvert
DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé ; titre concordant.
- Titre Crossref
- Efficiency-optimized relativistic plasma harmonics for extreme fields
- Date Crossref
- 22/04/2026
- Éditeur
- Springer Science and Business Media LLC
- Type
- journal-article
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Où se fait cette recherche
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University of Oxford Clarendon Laboratory pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Oxford Lasers (United Kingdom) pays non établi dans la noticeEntreprise
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John Adams Institute for Accelerator Science pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Queen's University Belfast pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Rutherford Appleton Laboratory Central Laser Facility pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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AWE Nuclear Security Technologies pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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University of Michigan Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Optical Sciences (United States) pays non établi dans la noticeEntreprise
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Helmholtz Institute Jena pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Friedrich Schiller University Jena Institute for Optics and Quantum Electronics pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Science Oxford pays non établi dans la noticeOrganisation à but non lucratif
Clarendon Laboratory — University of Oxford, Oxford Lasers (United Kingdom) et John Adams Institute for Accelerator Science, avec 9 autres affiliations.
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