Modeling of laser-plasma wakefield accelerators in an optimal frame of reference [J.-L. Vay, Phys. Rev. Lett. 98, 130405 (2007)] allows direct and efficient full-scale modeling of deeply depleted and beam loaded laser-plasma stages of 10 GeV-1 TeV (parameters not computationally accessible otherwise). This verifies the scaling of plasma accelerators to very high energies and accurately models the laser evolution and the accelerated electron beam transverse dynamics and energy spread. Over 4, 5, and 6 orders of magnitude speedup is achieved for the modeling of 10 GeV, 100 GeV, and 1 TeV class stages, respectively. Agreement at the percentage level is demonstrated between simulations using different frames of reference for a 0.1 GeV class stage. Obtaining these speedups and levels of accuracy was permitted by solutions for handling data input (in particular, particle and laser beams injection) and output in a relativistically boosted frame of reference, as well as mitigation of a high-frequency instability that otherwise limits effectiveness.

1.
T.
Tajima
and
J.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
2.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
3.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
C.
Toth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
).
4.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C.
Benedetti
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
13
,
101301
(
2010
).
5.
W.
Leemans
and
E.
Esarey
,
Phys. Today
62
,
44
(
2009
).
6.
F.
Tsung
,
W.
Lu
,
M.
Tzoufras
,
W.
Mori
,
C.
Joshi
,
J.
Vieira
,
L.
Silva
, and
R.
Fonseca
,
Phys. Plasmas
13
,
056708
(
2006
).
7.
C. G. R.
Geddes
,
D. L.
Bruhwiler
,
J. R.
Cary
,
W. B.
Mori
,
J -L.
Vay
,
S. F.
Martins
,
T.
Katsouleas
,
E.
Cormier-Michel
,
W. M.
Fawley
,
C.
Huang
,
X.
Wang
,
B.
Cowan
,
V. K.
Decyk
,
E.
Esarey
,
R. A.
Fonseca
,
W.
Lu
,
P.
Messmer
,
P.
Mullowney
,
K.
Nakamura
,
K.
Paul
,
G. R.
Plateau
,
C. B.
Schroeder
,
L. O.
Silva
,
C.
Toth
,
F. S.
Tsung
,
M.
Tzoufras
,
T.
Antonsen
,
J.
Vieira
, and
W.P.
Leemans
,
J. Phys.: Conf. Ser.
125
,
012002
(
2008
).
8.
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
,
E. H.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
J -L.
Vay
,
W. P.
Leemans
, and the
LOASIS team
, LBNL,
D. L.
Bruhwiler
,
J. R.
Cary
,
B.
Cowan
,
M.
Durant
,
P.
Hamill
,
P.
Messmer
,
P.
Mullowney
,
C.
Nieter
,
K.
Paul
,
S.
Shasharina
,
S.
Veitzer
, and the
VORPAL development team
, Tech-X,
G.
Weber
,
O.
Rubel
,
D.
Ushizima, Prabhat
,
E. W.
Bethel
, and
J.
Wu
,
SciDAC Review
(
IOP Science
,
Washington, DC
,
2009
), Vol.
13
, p.
13
.
9.
C.
Huang
,
W.
An
,
V. K.
Decyk
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
,
F. S.
Tsung
,
M.
Tzoufras
,
S.
Morshed
,
T.
Antonsen
,
B.
Feng
,
T.
Katsouleas
,
R. A.
Fonseca
,
S. F.
Martins
,
J.
Vieira
,
L. O.
Silva
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
W. P.
Leemans
,
E.
Cormier-Michel
,
J.-L.
Vay
,
D. L.
Bruhwiler
,
B.
Cowan
,
J. R.
Cary
, and
K.
Paul
,
J. Phys.: Conf. Ser.
180
,
012005
(
2009
).
10.
W. P.
Leemans
,
R.
Duarte
,
E.
Esarey
,
S.
Fournier
,
C. G. R.
Geddes
,
D.
Lockhart
,
C. B.
Schroeder
,
C.
Toth
,
J.-L.
Vay
, and
S.
Zimmermann
,
AIP Conf. Proc.
1299
,
3
(
2010
).
11.
D. L.
Bruhwiler
,
J. R.
Cary
,
B.
Cowan
,
K.
Paul
,
C. G. R.
Geddes
,
P.
Mullowney
,
P.
Messmer
,
E.
Esarey
,
E.
Cormier-Michel
,
W. P.
Leemans
,
J.-L.
Vay
,
AIP Conf. Proc.
1086
,
29
(
2009
).
12.
J.
Krall
,
A.
Ting
,
E.
Esarey
, and
P.
Sprangle
,
Phys. Rev. E
48
,
2157
(
1993
).
13.
B. A.
Shadwick
,
C. B.
Schroeder
, and
E.
Esarey
,
Phys. Plasmas
16
,
056704
(
2009
).
14.
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
, and
W. P.
Leemans
,
AIP Conf. Proc.
1299
,
250
(
2010
).
15.
P.
Sprangle
,
E.
Esarey
, and
A.
Ting
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
2011
(
1990
).
16.
T. M.
Antonsen
and
P.
Mora
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
2204
(
1992
).
17.
C.
Huang
,
V. K.
Decyk
,
C.
Ren
,
M.
Zhou
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
,
J. H.
Cooley
,
T. M.
Antonsen
, Jr.
, and
T.
Katsouleas
,
J. Comput. Phys.
217
,
658
(
2006
).
18.
B.
Feng
,
C.
Huang
,
V.
Decyk
,
W.
Mori
,
P.
Muggli
, and
T.
Katsouleas
,
J. Comput. Phys.
228
,
5340
(
2009
).
19.
B. M.
Cowan
,
D. L.
Bruhwiler
,
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. G.
Geddes
,
P.
Messmer
, and
K. M.
Paul
,
J. Comput. Phys.
230
,
61
(
2011
).
20.
E.
Cormier-Michel
,
C.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
K.
Paul
,
B.
Cowan
, and
W.
Leemans
,
AIP Conf. Proc.
1086
,
297
(
2009
).
21.
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
W. P.
Leemans
,
D. L.
Bruhwiler
,
B.
Cowan
,
C.
Nieter
,
K.
Paul
, and
J. R.
Cary
,
Proceedings of the Particle Accelerator Conference
(
Vancouver
,
Canada
,
2009
), wE6RFP075.
22.
S. V.
Bulanov
,
I. N.
Inovenkov
,
V. I.
Kirsanov
,
N. M.
Naumova
, and
A. S.
Sakharov
,
Phys. Fluids B
4
,
1935
(
1992
).
23.
24.
J. L.
Vay
,
Phys. Plasmas
15
,
056701
(
2008
).
25.
J.
Boris
and
R.
Lee
,
J. Comput. Phys.
12
,
131
(
1973
).
26.
I.
Haber
,
R.
Lee
,
H.
Klein
, and
J.
Boris
, in
Proceedings of the Sixth Conference on Numerical Simulation of Plasmas
(
Berkeley, CA
,
1973
), pp.
46
48
.
27.
B.
Cowan
,
D.
Bruhwiler
,
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C.
Geddes
,
P.
Messmer
, and
K.
Paul
,
AIP Conf. Proc.
1086
,
309
(
2009
).
28.
J.-L.
Vay
,
W. M.
Fawley
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
, and
D. P.
Grote
, in
Proceedings of the Particle Accelerator Conference
(
Vancouver, Canada
,
2009
),
tU1PBI04
.
29.
S. F.
Martins
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
W.
Lu
, and
W. B.
Mori
, in
Proceedings of the Particle Accelerator Conference
(
Vancouver, Canada
,
2009
),
tH4GBC05
.
30.
J.-L.
Vay
,
D. L.
Bruhwiler
,
C. G. R.
Geddes
,
W. M.
Fawley
,
S. F.
Martins
,
J. R.
Cary
,
E.
Cormier-Michel
,
B.
Cowan
,
R. A.
Fonseca
,
M. A.
Furman
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
, and
L. O.
Silva
,
J. Phys.: Conf. Ser.
180
,
012006
(
2009
).
31.
J.-L.
Vay
,
W. M.
Fawley
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
, and
D. P.
Grote
,
Proceedings of the 2009 Meeting of the Division of Particles and Fields of the American Physical Society
(
Detroit, MI
,
2009
), eConf C090726.
32.
S. F.
Martins
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
W.
Lu
, and
W. B.
Mori
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
869
(
2010
).
33.
S. F.
Martins
,
R. A.
Fonseca
,
W.
Lu
,
W. B.
Mori
, and
L. O.
Silva
,
Nat. Phys.
6
,
311
(
2010
).
34.
S. F.
Martins
,
R. A.
Fonseca
,
J.
Vieira
,
L. O.
Silva
,
W.
Lu
, and
W. B.
Mori
,
Phys. Plasmas
17
,
056705
(
2010
).
35.
D. L.
Bruhwiler
, private communication (
2008
).
36.
J. L.
Vay
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
, and
D. P.
Grote
,
J. Comput. Phys.
230
,
5908
(
2011
).
37.
D.
Grote
,
A.
Friedman
,
J.-L.
Vay
, and
I.
Haber
,
AIP Conf. Proc.
749
,
55
(
2005
).
38.
J.
Vay
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Cormier-Michel
, and
D. P.
Grote
,
Phys. Plasmas
18
,
030701
(
2011
).
39.
C. B.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
135002
(
2011
).
40.
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
F. S.
Tsung
,
V. K.
Decyk
,
W.
Lu
,
C.
Ren
,
W. B.
Mori
,
S.
Deng
,
S.
Lee
,
T.
Katsouleas
, and
J. C.
Adam
,
Lect. Notes Comput. Sci.
2329
,
342
(
2002
).
41.
C.
Nieter
and
J. R.
Cary
,
J. Comput. Phys.
196
,
448
(
2004
).
42.
A.
Taflove
and
S. C.
Hagness
,
Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method
, 2nd ed. (
Artech House
,
Norwood, MA
,
2000
).
43.
C.
Benedetti
,
P.
Londrillo
,
V.
Petrillo
,
L.
Serafini
,
A.
Sgattoni
,
P.
Tomassini
, and
G.
Turchetti
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
608
,
94
(
2009
).
44.
C. G. R.
Geddes
, “
Plasma channel guided laser wakefield accelerator
,” Ph.D. dissertation (
University of California
, Berkeley, Berkeley, CA,
2005
).
45.
S.
Kalmykov
,
S. A.
Yi
,
V.
Khudik
, and
G.
Shvets
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
135004
(
2009
).
46.
C.
Birdsall
and
A.
Langdon
,
Plasma Physics via Computer Simulation
(
Adam-Hilger
,
Briston, UK
,
1991
).
47.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
B. A.
Shadwick
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
13
,
033103
(
2006
).
48.
W.
Rittershofer
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
F. J.
Gruner
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Plasmas
17
,
063104
(
2010
).
49.
E.
Cormier-Michel
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C. B.
Schroeder
,
K.
Paul
,
P. J.
Mullowney
,
J. R.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. ST Accel. Beam
14
,
031303
(
2011
).
50.
M.
Tzoufras
,
W.
Lu
,
F. S.
Tsung
,
C.
Huang
,
W. B.
Mori
,
T.
Katsouleas
,
J.
Vieira
,
R. A.
Fonseca
, and
L. O.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
145002
(
2008
).
51.
T.
Esirkepov
,
Comput. Phys. Commun.
135
,
144
(
2001
).
You do not currently have access to this content.