High Power Laser Science and Engineering, Volume. 11, Issue 3, 03000e35(2023)

Automated control and optimization of laser-driven ion acceleration

B. Loughran1、*, M. J. V. Streeter1, H. Ahmed2, S. Astbury2, M. Balcazar3, M. Borghesi1, N. Bourgeois2, C. B. Curry4,5, S. J. D. Dann2, S. DiIorio3, N. P. Dover6, T. Dzelzainis2, O. C. Ettlinger6, M. Gauthier4, L. Giuffrida7, G. D. Glenn4,8, S. H. Glenzer4, J. S. Green2, R. J. Gray9, G. S. Hicks6, C. Hyland1, V. Istokskaia7,10, M. King9, D. Margarone1,7, O. McCusker1, P. McKenna9, Z. Najmudin6, C. Parisuaña4,11, P. Parsons1, C. Spindloe2, D. R. Symes2, A. G. R. Thomas3, F. Treffert4,12, N. Xu6, and C. A. J. Palmer1
Author Affiliations
  • 1School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Belfast, UK
  • 2Central Laser Facility, STFC Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, UK
  • 3Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA
  • 4SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA, USA
  • 5Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB, Canada
  • 6The John Adams Institute for Accelerator Science, Imperial College London, London, UK
  • 7ELI Beamlines Centre, Institute of Physics, Czech Academy of Sciences, Dolní Břežany, Czech Republic
  • 8Department of Applied Physics, Stanford University, Stanford, CA, USA
  • 9Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, UK
  • 10Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czech Republic
  • 11Department of Mechanical Engineering, Stanford University, Stanford, CA, USA
  • 12Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany
  • show less
    References(63)

    [1] C. M. Brenner, S. R. Mirfayzi, D. R. Rusby, C. Armstrong, A. Alejo, L. A. Wilson, R. Clarke, H. Ahmed, N. M. H. Butler, D. Haddock, A. Higginson, A. McClymont, C. Murphy, M. Notley, P. Oliver, R. Allott, C. Hernandez-Gomez, S. Kar, P. McKenna, D. Neely. Plasma Phys. Control. Fusion, 58, 014039(2015).

    [2] C. Courtois, R. Edwards, A. Compant la Fontaine, C. Aedy, S. Bazzoli, J. L. Bourgade, J. Gazave, J. M. Lagrange, O. Landoas, L. Le Dain, D. Mastrosimone, N. Pichoff, G. Pien, C. Stoeckl. Phys. Plasmas, 20, 083114(2013).

    [3] D. A. Jaroszynski, R. Bingham, E. Brunetti, B. Ersfeld, J. Gallacher, B. Van Der Geer, R. Issac, S. P. Jamison, D. Jones, M. De Loos, A. Lyachev, V. Pavlov, A. Reitsma, Y. Saveliev, G. Vieux, S. M. Wiggins. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci., 364, 689(2006).

    [4] J. Galy, D. J. Hamilton, C. Normand. Eur. Phys. J. Spec. Top., 175, 147(2009).

    [5] A. B. Zylstra, H. W. Herrmann, M. Gatu Johnson, Y. H. Kim, J. A. Frenje, G. Hale, C. K. Li, M. Rubery, M. Paris, A. Bacher, C. R. Brune, C. Forrest, V. Yu. Glebov, R. Janezic, D. McNabb, A. Nikroo, J. Pino, T. C. Sangster, F. H. Séguin, W. Seka, H. Sio, C. Stoeckl, R. D. Petrasso. Phys. Rev. Lett., 117, 035002(2016).

    [6] H. Daido, M. Nishiuchi, A. S. Pirozhkov. Rep. Prog. Phys., 75, 056401(2012).

    [7] A. Macchi, M. Borghesi, M. Passoni. Rev. Mod. Phys, 85, 751(2013).

    [8] S. V. Bulanov, T. Esirkepov, V. S. Khoroshkov, A. V. Kuznetsov, F. Pegoraro. Phys. Lett. A, 299, 240(2002).

    [9] M. Passoni, F. M. Arioli, L. Cialfi, D. Dellasega, L. Fedeli, A. Formenti, A. C. Giovannelli, A. Maffini, F. Mirani, A. Pazzaglia, A. Tentori, D. Vavassori, M. Zavelani-Rossi, V. Russo. Plasma Phys. Control. Fusion, 62, 014022(2019).

    [10] M. Roth, T. E. Cowan, M. H. Key, S. P. Hatchett, C. Brown, W. Fountain, J. Johnson, D. M. Pennington, R. A. Snavely, S. C. Wilks, K. Yasuike, H. Ruhl, F. Pegoraro, S. V. Bulanov, E. M. Campbell, M. D. Perry, H. Powell. Phys. Rev. Lett., 86, 436(2001).

    [11] M. Borghesi, D. H. Campbell, A. Schiavi, M. G. Haines, O. Willi, A. J. MacKinnon, P. Patel, L. A. Gizzi, M. Galimberti, R. J. Clarke, F. Pegoraro, H. Ruhl, S. Bulanov. Phys. Plasmas, 9, 2214(2002).

    [12] M. Borghesi, A. Schiavi, D. H. Campbell, M. G. Haines, O. Willi, A. J. MacKinnon, L. A. Gizzi, M. Galimberti, R. J. Clarke, H. Ruhl. Plasma Phys. Control. Fusion, 43, A267(2001).

    [13] A. J. Mackinnon, P. K. Patel, R. P. Town, M. J. Edwards, T. Phillips, S. C. Lerner, D. W. Price, D. Hicks, M. H. Key, S. Hatchett, S. C. Wilks, M. Borghesi, L. Romagnani, S. Kar, T. Toncian, G. Pretzler, O. Willi, M. Koenig, E. Martinolli, S. Lepape, A. Benuzzi-Mounaix, P. Audebert, J. C. Gauthier, J. King, R. Snavely, R. R. Freeman, T. Boehlly. Rev. Sci. Instrum, 75, 3531(2004).

    [14] R. A. Snavely, M. H. Key, S. P. Hatchett, T. E. Cowan, M. Roth, T. W. Phillips, M. A. Stoyer, E. A. Henry, T. C. Sangster, M. S. Singh, S. C. Wilks, A. J. Mackinnon, A. Offenberger, D. M. Pennington, K. Yasuike, A. B. Langdon, B. F. Lasinski, J. Johnson, M. D. Perry, E. M. Campbell. Phys. Rev. Lett., 85, 2945(2000).

    [15] M Roth, M Schollmeier. Proceedings of the 2014 CAS-CERN Accelerator School: Plasma Wake Acceleration(2016).

    [16] M. Allen, P. K. Patel, A. Mackinnon, D. Price, S. Wilks, E. Morse. Phys. Rev. Lett., 93, 265004(2004).

    [17] L. Chopineau, A. Leblanc, G. Blaclard, A. Denoeud, M. Thévenet, J. L. Vay, G. Bonnaud, Ph. Martin, H. Vincenti, F. Quéré. Phys. Rev. X, 9, 011050(2019).

    [18] P. McKenna, D.C. Carroll, O. Lundh, F. Nürnberg, K. Markey, S. Bandyopadhyay, D. Batani, R.G. Evans, R. Jafer, S. Kar, D. Neely, D. Pepler, M. N. Quinn, R. Redaelli, M. Roth, C.-G. Wahlström, X. H. Yuan, M. Zepf. Laser Part. Beams, 26, 591(2008).

    [19] R. J. Gray, D. C. Carroll, X. H. Yuan, C. M. Brenner, M. Burza, M. Coury, K. L. Lancaster, X. X. Lin, Y. T. Li, D. Neely, M. N. Quinn, O. Tresca, C.-G. Wahlström, P. McKenna. New J. Phys., 16, 113075(2014).

    [20] T. Zh. Esirkepov, J. K. Koga, A. Sunahara, T. Morita, M. Nishikino, K. Kageyama, H. Nagatomo, K. Nishihara, A. Sagisaka, H. Kotaki, T. Nakamura, Y. Fukuda, H. Okada, A. S. Pirozhkov, A. Yogo, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, K. Kondo, M. Kando, S. V. Bulanov. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 745, 150(2014).

    [21] A. J. Mackinnon, Y. Sentoku, P. K. Patel, D. W. Price, S. Hatchett, M. H. Key, C. Andersen, R. Snavely, R. R. Freeman. Phys. Rev. Lett., 88, 215006(2002).

    [22] M. Kaluza, J. Schreiber, M. I. K. Santala, G. D. Tsakiris, K. Eidmann, J. Meyer-Ter-Vehn, K. J. Witte. Phys. Rev. Lett., 93, 045003(2004).

    [23] F. Lindau, O. Lundh, A. Persson, P. Mckenna, K. Osvay, D. Batani, C.-G. Wahlström. Phys. Rev. Lett., 95, 175002(2005).

    [24] O. Lundh, F. Lindau, A. Persson, C.-G. Wahlström, P. Mckenna, D. Batani. Phys. Rev. E, 76, 026404(2007).

    [25] J. Fuchs, P. Antici, E. d’Humières, E. Lefebvre, M. Borghesi, E. Brambrink, C. a. Cecchetti, M. C. Kaluza, V. Malka, M. Manclossi, S. Meyroneinc, P. Mora, J. Schreiber, T. Toncian, H. Pépin, P. Audebert. Nat. Phys., 2, 48(2005).

    [26] M. Borghesi, A. Bigongiari, S. Kar, A. Macchi, L. Romagnani, P. Audebert, J. Fuchs, T. Toncian, O. Willi, S. V. Bulanov, A. J. Mackinnon, J. C. Gauthier. Plasma Phys. Control. Fusion, 50, 124040(2008).

    [27] Y. Oishi, T. Nayuki, T. Fujii, Y. Takizawa, X. Wang, T. Yamazaki, K. Nemoto, T. Kayoiji, T. Sekiya, K. Horioka, Y. Okano, Y. Hironaka, K. G. Nakamura, K. Kondo, A. A. Andreev. Phys. Plasmas, 12, 073102(2005).

    [28] J. Schreiber, F. Bell, F. Grüner, U. Schramm, M. Geissler, M. Schnürer, S. Ter-Avetisyan, B. Hegelich, J. Cobble, E. Brambrink, J. Fuchs, P. Audebert, D. Habs. Phys. Rev. Lett., 97, 045005(2006).

    [29] P. Mora. Phys. Rev. Lett., 90, 185002(2003).

    [30] M. Carrié, E. Lefebvre, A. Flacco. Phys. Plasmas, 16, 053105(2009).

    [31] A. Flacco, F. Sylla, M. Veltcheva, M. Carrié, R. Nuter, E. Lefebvre, D. Batani, V. Malka. Phys. Rev. E, 81, 036405(2010).

    [32] M. Tayyab, S. Bagchi, J. A. Chakera, R. A. Khan, P. A. Naik. Phys. Plasmas, 25, 083113(2018).

    [33] T. Ziegler, D. Albach, C. Bernert, S. Bock, F. E. Brack, T. E. Cowan, N. P. Dover, M. Garten, L. Gaus, R. Gebhardt, I. Goethel, U. Helbig, A. Irman, H. Kiriyama, T. Kluge, A. Kon, S. Kraft, F. Kroll, M. Loeser, J. Metzkes-Ng, M. Nishiuchi, L. Obst-Huebl, T. Püschel, M. Rehwald, H. P. Schlenvoigt, U. Schramm, K. Zeil. Sci. Rep., 11, 7338(2021).

    [34] 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).

    [35] N. Xu, M. J. V. Streeter, O. C. Ettlinger. , , and , High Power Laser Sci. Eng. , ()., 11, e23(2023).

    [36] F. Treffert, G. D. Glenn, H.-G. J. Chou, C. Crissman, C. B. Curry, D. P. DePonte, F. Fiuza, N. J. Hartley, B. Ofori-Okai, M. Roth, S. H. Glenzer, M. Gauthier. Phys. Plasmas, 29, 123105(2022).

    [37] J. B. Kim, S. Göde, S. H. Glenzer. Rev. Sci. Instrum., 87, 11E328(2016).

    [38] S. D. Kraft, L. Obst, J. Metzkes-Ng, H. P. Schlenvoigt, K. Zeil, S. Michaux, D. Chatain, J. P. Perin, S. N. Chen, J. Fuchs, M. Gauthier, T. E. Cowan, U. Schramm. Plasma Phys. Control. Fusion, 60, 044010(2018).

    [39] D. W. Schumacher, P. L. Poole, C. Willis, G. E. Cochran, R. Daskalova, J. Purcell, R. Heery. J. Instrum., 12, C04023(2017).

    [40] R. A. Costa Fraga, A. Kalinin, M. Khnel, D. C. Hochhaus, A. Schottelius, J. Polz, M. C. Kaluza, P. Neumayer, R. E. Grisenti. Rev. Sci. Instrum., 83, 025102(2012).

    [41] N. Lemos, N. Lopes, J. M. Dias, F. Viola. Rev. Sci. Instrum., 80, 103301(2009).

    [42] M. Noaman-Ul-Haq, H. Ahmed, T. Sokollik, L. Yu, Z. Liu, X. Yuan, F. Yuan, M. Mirzaie, X. Ge, L. Chen, J. Zhang. Phys. Rev. Accel. Beams, 20, 041301(2017).

    [43] R. J. Shalloo, S. J. D. Dann, J. N. Gruse, C. I. D. Underwood, A. F. Antoine, C. Arran, M. Backhouse, C. D. Baird, M. D. Balcazar, N. Bourgeois, J. A. Cardarelli, P. Hatfield, J. Kang, K. Krushelnick, S. P. D. Mangles, C. D. Murphy, N. Lu, J. Osterhoff, K. Põder, P. P. Rajeev, C. P. Ridgers, S. Rozario, M. P. Selwood, A. J. Shahani, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, C. Thornton, Z. Najmudin, M. J. V. Streeter. Nat. Commun., 11, 6355(2020).

    [44] S. Jalas, M. Kirchen, P. Messner, P. Winkler, L. Hübner, J. Dirkwinkel, M. Schnepp, R. Lehe, A. R. Maier. Phys. Rev. Lett., 126, 104801(2021).

    [45] E. J. Dolier, M. King, R. Wilson, R. J. Gray, P. McKenna. New J. Phys., 24, 073025(2022).

    [46] B. Z. Djordjević, A. J. Kemp, J. Kim, R. A. Simpson, S. C. Wilks, T. Ma, D. A. Mariscal. Phys. Plasmas, 28, 043105(2021).

    [47] D. Margarone, J. Krsa, L. Giuffrida, A. Picciotto, L. Torrisi, T. Nowak, P. Musumeci, A. Velyhan, J. Prokpek, L. Lska, T. Mocek, J. Ullschmied, B. Rus. J. Appl. Phys., 109, 103302(2011).

    [48] Z. Li, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, Y. Nakata, N. Miyanaga. Appl. Phys. Express, 10, 102702(2017).

    [49] N. P. Dover, C. A. J. Palmer, M. J. V. Streeter, H. Ahmed, B. Albertazzi, M. Borghesi, D. C. Carroll, J. Fuchs, R. Heathcote, P. Hilz, K. F. Kakolee, S. Kar, R. Kodama, A. Kon, D. A. MacLellan, P. McKenna, S. R. Nagel, D. Neely, M. M. Notley, M. Nakatsutsumi, R. Prasad, G. Scott, M. Tampo, M. Zepf, J. Schreiber, Z. Najmudin. New J. Phys., 18, 013038(2016).

    [50] J. S. Green, D.C. Carroll, C. M. Brenner, B. Dromey, P. S. Foster, S. Kar, Y. T. Li, K. Markey, P. Mckenna, D. Neely, A. P. L. Robinson, M. J. V. Streeter, M. Tolley, C.-G. Wahlström, M. H. Xu, M. Zepf. New J. Phys., 12, 085012(2010).

    [51] A. J. Mackinnon, M. Borghesi, S. Hatchett, M. H. Key, P. K. Patel, H. Campbell, A. Schiavi, R. Snavely, S. C. Wilks, O. Willi. Phys. Rev. Lett., 86, 1769(2001).

    [52] J. Fuchs, C. A. Cecchetti, M. Borghesi, T. Grismayer, E. D’Humières, P. Antici, S. Atzeni, P. Mora, A. Pipahl, L. Romagnani, A. Schiavi, Y. Sentoku, T. Toncian, P. Audebert, O. Willi. Phys. Rev. Lett., 99, 015002(2007).

    [53] A. Higginson, R. Wilson, J. Goodman, M. King, R. J. Dance, N. M.H. Butler, C. D. Armstrong, M. Notley, D. C. Carroll, Y. Fang, X. H. Yuan, D. Neely, R. J. Gray, P. McKenna. Plasma Phys. Control. Fusion, 63, 114001(2021).

    [54] C. Hooker, Y. Tang, O. Chekhlov, J. Collier, E. Divall, K. Ertel, S. Hawkes, B. Parry, P. P. Rajeev. Opt. Express, 19, 2193(2011).

    [55] J. T. Morrison, S. Feister, K. D. Frische, D. R. Austin, G. K. Ngirmang, N. R. Murphy, C. Orban, E. A. Chowdhury, W. M. Roquemore. New J. Phys., 20, 022001(2018).

    [56] A. S. Pirozhkov, I. W. Choi, J. H. Sung, S. K. Lee, T. J. Yu, T. M. Jeong, I. J. Kim, N. Hafz, C. M. Kim, K. H. Pae, Y. C. Noh, D. K. Ko, J. Lee, A. P. L. Robinson, P. Foster, S. Hawkes, M. Streeter, C. Spindloe, P. McKenna, D. C. Carroll, C. G. Wahlström, M. Zepf, D. Adams, B. Dromey, K. Markey, S. Kar, Y. T. Li, M. H. Xu, H. Nagatomo, M. Mori, A. Yogo, H. Kiriyama, K. Ogura, A. Sagisaka, S. Orimo, M. Nishiuchi, H. Sugiyama, T. Zh. Esirkepov, H. Okada, S. Kondo, S. Kanazawa, Y. Nakai, A. Akutsu, T. Motomura, M. Tanoue, T. Shimomura, M. Ikegami, I. Daito, M. Kando, T. Kameshima, P. Bolton, S. V. Bulanov, H. Daido, D. Neely. Appl. Phys. Lett., 94, 241102(2009).

    [57] M. J. V. Streeter, P. S. Foster, F. H. Cameron, M. Borghesi, C. Brenner, D. C. Carroll, E. Divall, N. P. Dover, B. Dromey, P. Gallegos, J. S. Green, S. Hawkes, C. J. Hooker, S. Kar, P. McKenna, S. R. Nagel, Z. Najmudin, C. A. J. Palmer, R. Prasad, K. E. Quinn, P. P. Rajeev, A. P. L. Robinson, L. Romagnani, J. Schreiber, C. Spindloe, S. Ter-Avetisyan, O. Tresca, M. Zepf, D. Neely. New J. Phys., 13, 023041(2011).

    [58] R. Wilson, M. King, N. M. H. Butler, D. C. Carroll, T. P. Frazer, M. J. Duff, A. Higginson, R. J. Dance, J. Jarrett, Z. E. Davidson, C. D. Armstrong, H. Liu, S. J. Hawkes, R. J. Clarke, D. Neely, R. J. Gray, P. McKenna. Sci. Rep., 12, 1910(2022).

    [59] C. E. Rasmussen, C. K. I. Williams. Gaussian Processes for Machine Learning (Adaptive Computation and Machine Learning)(2005).

    [60] F. Schillaci, L. Giuffrida, M. Tryus, F. Grepl, S. Stancek, A. Velyhan, V. Istokskaia, T. Levato, G. Petringa, G. A. P. Cirrone, J. Cupal, L. Koubiková, D. Peceli, J. A. Jarboe, T. de Castro Silva, M. Cuhra, T. Chagovets, V. Kantarelou, M. Tosca, V. Ivanyan, M. G. Žáková, J. Psikal, R. Truneček, A. Cimmino, R. Versaci, V. Olšovlcová, D. Kramer, P. Bakule, J. Ridky, G. Korn, B. Rus, D. Margarone. Quantum Beam Sci., 6, 30(2022).

    [61] C. A. J. Palmer, J. Schreiber, S. R. Nagel, N. P. Dover, C. Bellei, F. N. Beg, S. Bott, R. J. Clarke, A. E. Dangor, S. M. Hassan, P. Hilz, D. Jung, S. Kneip, S. P. D. Mangles, K. L. Lancaster, A. Rehman, A. P. L. Robinson, C. Spindloe, J. Szerypo, M. Tatarakis, M. Yeung, M. Zepf, Z. Najmudin. Phys. Rev. Lett., 108, 225002(2012).

    [62] A. Sgattoni, S. Sinigardi, L. Fedeli, F. Pegoraro, A. Macchi. Phys. Rev. E, 91, 013106(2015).

    [63] A. Higginson, R. J. Gray, M. King, R. J. Dance, S. D. R. Williamson, N. M. H. Butler, R. Wilson, R. Capdessus, C. Armstrong, J. S. Green, S. J. Hawkes, P. Martin, W. Q. Wei, S. R. Mirfayzi, X. H. Yuan, S Kar, M. Borghesi, R. J. Clarke, D. Neely, P Mckenna. Nat. Commun., 9, 724(2018).

    Tools

    Get Citation

    Copy Citation Text

    B. Loughran, M. J. V. Streeter, H. Ahmed, S. Astbury, M. Balcazar, M. Borghesi, N. Bourgeois, C. B. Curry, S. J. D. Dann, S. DiIorio, N. P. Dover, T. Dzelzainis, O. C. Ettlinger, M. Gauthier, L. Giuffrida, G. D. Glenn, S. H. Glenzer, J. S. Green, R. J. Gray, G. S. Hicks, C. Hyland, V. Istokskaia, M. King, D. Margarone, O. McCusker, P. McKenna, Z. Najmudin, C. Parisuaña, P. Parsons, C. Spindloe, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, F. Treffert, N. Xu, C. A. J. Palmer. Automated control and optimization of laser-driven ion acceleration[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(3): 03000e35

    Download Citation

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

    Category: Research Articles

    Received: Nov. 30, 2022

    Accepted: Feb. 27, 2023

    Published Online: May. 29, 2023

    The Author Email: B. Loughran (bloughran08@qub.ac.uk)

    DOI:10.1017/hpl.2023.23

    Topics