High Power Laser Science and Engineering, Volume. 11, Issue 1, 010000e9(2023)

Laser wakefield accelerator modelling with variational neural networks Editors' Pick

M. J. V. Streeter1、*, C. Colgan2, C. C. Cobo3, C. Arran3, E. E. Los2, R. Watt2, N. Bourgeois4, L. Calvin1, J. Carderelli5, N. Cavanagh1, S. J. D. Dann4, R. Fitzgarrald5, E. Gerstmayr2, A. S. Joglekar5,6, B. Kettle2, P. Mckenna7, C. D. Murphy3, Z. Najmudin2, P. Parsons4, Q. Qian5, P. P. Rajeev4, C. P. Ridgers3, D. R. Symes4, A. G. R. Thomas5, G. Sarri1, and S. P. D. Mangles2
Author Affiliations
  • 1School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Belfast, UK
  • 2The John Adams Institute for Accelerator Science, Imperial College London, London, UK
  • 3York Plasma Institute, School of Physics, Engineering and Technology, University of York, York, UK
  • 4Central Laser Facility, STFC Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, UK
  • 5Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science, University of Michigan, Ann Arbor, USA
  • 6Ergodic LLC, San Francisco, USA
  • 7Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, UK
  • show less
    References(53)

    [1] W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, C. Tóth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, S. M. Hooker. Nat. Phys., 2, 696(2006).

    [2] S. Kneip, S. R. Nagel, S. F. Martins, S. P. D. Mangles, C. Bellei, O. Chekhlov, R. J. Clarke, N. Delerue, E. J. Divall, G. Doucas, K. Ertel, F. Fiuza, R. Fonseca, P. Foster, S. J. Hawkes, C. J. Hooker, K. Krushelnick, W. B. Mori, C. A. J. Palmer, K. T. Phuoc, P. P. Rajeev, J. Schreiber, M. J. V. Streeter, D. Urner, J. Vieira, L. O. Silva, Z. Najmudin. Phys. Rev. Lett., 103, 035002(2009).

    [3] C. E. Clayton, J. E. Ralph, F. Albert, R. A. Fonseca, S. H. Glenzer, C. Joshi, W. Lu, K. A. Marsh, S. F. Martins, W. B. Mori, A. Pak, F. S. Tsung, B. B. Pollock, J. S. Ross, L. O. Silva, D. H. Froula. Phys. Rev. Lett., 105, 105003(2010).

    [4] X. Wang, R. Zgadzaj, N. Fazel, Z. Li, S. A. Yi, X. Zhang, W. Henderson, Y.-Y. Chang, R. Korzekwa, H.-E. Tsai, C.-H. Pai, H. Quevedo, G. Dyer, E. Gaul, M. Martinez, A. C. Bernstein, T. Borger, M. Spinks, M. Donovan, V. Khudik, G. Shvets, T. Ditmire, M. C. Downer. Nat. Commun., 4, 1988(2013).

    [5] W. P. Leemans, A. J. Gonsalves, H.-S. Mao, K. Nakamura, C. Benedetti, C. B. Schroeder, C. Tóth, J. Daniels, D. E. Mittelberger, S. S. Bulanov, J.-L. Vay, C. G. R. Geddes, E. Esarey. Phys. Rev. Lett., 113, 245002(2014).

    [6] A. J. Gonsalves, K. Nakamura, J. Daniels, C. Benedetti, C. Pieronek, T. C. H. de Raadt, S. Steinke, J. H. Bin, S. S. Bulanov, J. van Tilborg, C. G. R. Geddes, C. B. Schroeder, C. T/oth, E. Esarey, K. Swanson, L. Fan-Chiang, G. Bagdasarov, N. Bobrova, V. Gasilov, G. Korn, P. Sasorov, W. P. Leemans. Phys. Rev. Lett., 122, 084801(2019).

    [7] H. P. Schlenvoigt, K. Haupt, A. Debus, F. Budde, O. Jäckel, S. Pfotenhauer, H. Schwoerer, E. Rohwer, J. G. Gallacher, E. Brunetti, R. P. Shanks, S. M. Wiggins, D. A. Jaroszynski. Nat. Phys., 4, 130(2008).

    [8] A. R. Maier, A. Meseck, S. Reiche, C. B. Schroeder, T. Seggebrock, F. Grüner. Phys. Rev. X, 2, 031019(2012).

    [9] F. Albert, A. G. Thomas. Plasma Phys. Control. Fusion, 58, 103001(2016).

    [10] W. Wang, K. Feng, L. Ke, C. Yu, Y. Xu, R. Qi, Y. Chen, Z. Qin, Z. Zhang, M. Fang, J. Liu, K. Jiang, H. Wang, C. Wang, X. Yang, F. Wu, Y. Leng, J. Liu, R. Li, Z. Xu. Nature, 595, 516(2021).

    [11] G. Sarri, W. Schumaker, A. Di Piazza, M. Vargas, B. Dromey, M. E. Dieckmann, V. Chvykov, A. Maksimchuk, V. Yanovsky, Z. H. He, B. X. Hou, J. A. Nees, A. G. Thomas, C. H. Keitel, M. Zepf, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 110, 255002(2013).

    [12] G. Sarri, D. J. Corvan, W. Schumaker, J. M. Cole, A. Di Piazza, H. Ahmed, C. Harvey, C. H. Keitel, K. Krushelnick, S. P. D. Mangles, Z. Najmudin, D. Symes, A. G. R. Thomas, M. Yeung, Z. Zhao, M. Zepf. Phys. Rev. Lett., 113, 224801(2014).

    [14] A. G. R. Thomas, C. P. Ridgers, S. S. Bulanov, B. J. Griffin, S. P. D. Mangles. Phys. Rev. X, 2, 041004(2012).

    [15] T. G. Blackburn, C. P. Ridgers, J. G. Kirk, A. R. Bell. Phys. Rev. Lett., 112, 015001(2014).

    [16] J. M. Cole, K. T. Behm, E. Gerstmayr, T. G. Blackburn, J. C. Wood, C. D. Baird, M. J. Duff, C. Harvey, A. Ilderton, A. S. Joglekar, K. Krushelnick, S. Kuschel, M. Marklund, P. McKenna, C. D. Murphy, K. Poder, C. P. Ridgers, G. M. Samarin, G. Sarri, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, J. Warwick, M. Zepf, Z. Najmudin, S. P. D. Mangles. Phys. Rev. X, 8, 011020(2018).

    [17] K. Poder, M. Tamburini, G. Sarri, A. Di Piazza, S. Kuschel, C. D. Baird, K. Behm, S. Bohlen, J. M. Cole, D. J. Corvan, M. Duff, E. Gerstmayr, C. H. Keitel, K. Krushelnick, S. P. D. Mangles, P. McKenna, C. D. Murphy, Z. Najmudin, C. P. Ridgers, G. M. Samarin, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, J. Warwick, M. Zepf. Phys. Rev. X, 8, 031004(2018).

    [18] A. G. R. Thomas, Z. Najmudin, S. P. D. Mangles, C. D. Murphy, A. E. Dangor, C. Kamperidis, K. L. Lancaster, W. B. Mori, P. A. Norreys, W. Rozmus, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 98, 095004(2007).

    [19] M. J. V. Streeter, S. Kneip, M. S. Bloom, R. A. Bendoyro, O. Chekhlov, A. E. Dangor, A. Döpp, C. J. Hooker, J. Holloway, J. Jiang, N. C. Lopes, H. Nakamura, P. A. Norreys, C. A. J. Palmer, P. P. Rajeev, J. Schreiber, D. R. Symes, M. Wing, S. P. D. Mangles, Z. Najmudin. Phys. Rev. Lett., 120, 254801(2018).

    [20] C. Xia, J. Liu, W. Wang, H. Lu, W. Cheng, A. Deng, W. Li, H. Zhang, X. Liang, Y. Leng, X. Lu, C. Wang, J. Wang, K. Nakajima, R. Li, Z. Xu. Phys. Plasmas, 18, 113101(2011).

    [21] A. Sävert, S. P. D. Mangles, M. Schnell, E. Siminos, J. M. Cole, M. Leier, M. Reuter, M. B. Schwab, M. Möller, K. Poder, O. Jäckel, G. G. Paulus, C. Spielmann, S. Skupin, Z. Najmudin, M. C. Kaluza. Phys. Rev. Lett., 115, 055002(2015).

    [22] J. Wang, J. Feng, C. Zhu, Y. Li, Y. He, D. Li, J. Tan, J. Ma, L. Chen. Plasma Phys. Control. Fusion, 60, 034004(2018).

    [23] C. J. Zhang, Y. Wan, B. Guo, J. F. Hua, C.-H. Pai, F. Li, J. Zhang, Y. Ma, Y. P. Wu, X. L. Xu, W. B. Mori, H.-H. Chu, J. Wang, W. Lu, C. Joshi. Plasma Phys. Control. Fusion, 60, 044013(2018).

    [24] J. Osterhoff, A. Popp, Z. Major, B. Marx, T. Rowlands-Rees, M. Fuchs, M. Geissler, R. Hörlein, B. Hidding, S. Becker, E. Peralta, U. Schramm, F. Grüner, D. Habs, F. Krausz, S. Hooker, S. Karsch. Phys. Rev. Lett., 101, 085002(2008).

    [25] N. A. M. Hafz, T. M. Jeong, I. W. Choi, S. K. Lee, K. H. Pae, V. V. Kulagin, J. H. Sung, T. J. Yu, K.-H. Hong, T. Hosokai, J. R. Cary, D.-K. Ko, J. Lee. Nat. Photonics, 2, 571(2008).

    [26] A. R. Maier, N. M. Delbos, T. Eichner, L. Hübner, S. Jalas, L. Jeppe, S. W. Jolly, M. Kirchen, V. Leroux, P. Messner, M. Schnepp, M. Trunk, P. A. Walker, C. Werle, P. Winkler. Phys. Rev. X, 031039(2020).

    [27] Z.-H. He, B. Hou, V. Lebailly, J. A. Nees, K. Krushelnick, A. G. R. Thomas. Nat. Commun., 6, 7156(2015).

    [28] S. J. D. Dann, C. D. Baird, N. Bourgeois, O. Chekhlov, S. Eardley, C. D. Gregory, J.-N. Gruse, J. Hah, D. Hazra, S. J. Hawkes, C. J. Hooker, K. Krushelnick, S. P. D. Mangles, V. A. Marshall, C. D. Murphy, Z. Najmudin, J. A. Nees, J. Osterhoff, B. Parry, P. Pourmoussavi, S. V. Rahul, P. P. Rajeev, S. Rozario, J. D. E. Scott, R. A. Smith, E. Springate, Y. Tang, S. Tata, A. G. R. Thomas, C. Thornton, D. R. Symes, M. J. V. Streeter. Phys. Rev. Accel. Beams, 22, 041303(2019).

    [29] R. J. Shalloo, S. J. Dann, J. N. Gruse, C. I. 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. 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. Thomas, C. Thornton, Z. Najmudin, M. J. Streeter. Nat. Commun., 11, 6355(2020).

    [30] 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).

    [31] M. Kirchen, S. Jalas, P. Messner, P. Winkler, T. Eichner, L. Hübner, T. Hülsenbusch, L. Jeppe, T. Parikh, M. Schnepp, A. R. Maier. Phys. Rev. Lett., 126, 174801(2021).

    [32] G. M. Samarin, M. Zepf, G. Sarri. J. Mod. Opt., 65, 1362(2018).

    [33] C. D. Baird, C. D. Murphy, T. G. Blackburn, A. Ilderton, S. P. Mangles, M. Marklund, C. P. Ridgers. New J. Phys., 21, 053030(2019).

    [34] C. Arran, J. M. Cole, E. Gerstmayr, T. G. Blackburn, S. P. Mangles, C. P. Ridgers. Plasma Phys. Control. Fusion, 61, 074009(2019).

    [35] J. Lin, Q. Qian, J. Murphy, A. Hsu, A. Hero, Y. Ma, A. G. R. Thomas, K. Krushelnick. Phys. Plasmas, 28, 083102(2021).

    [36] W. Rawat, Z. Wang. Neural Comput., 29, 2352(2017).

    [37] A. Kristiadi, M. Hein, P. Hennig. , , and , in Proceedings of the 37th International Conference on Machine Learning (), p. ., 5436(2020).

    [38] C. Emma, A. Edelen, M. J. Hogan, B. O’Shea, G. White, V. Yakimenko. Phys. Rev. Accel. Beams, 21, 112802(2018).

    [39] X. Ren, A. Edelen, A. Lutman, G. Marcus, T. Maxwell, D. Ratner. Phys. Rev. Accel. Beams, 23, 040701(2020).

    [40] A. Hanuka, C. Emma, T. Maxwell, A. S. Fisher, B. Jacobson, M. J. Hogan, Z. Huang. Sci. Rep., 11, 2945(2021).

    [41] T. P. Rowlands-Rees, C. Kamperidis, S. Kneip, A. J. Gonsalves, S. P. D. Mangles, J. G. Gallacher, E. Brunetti, T. Ibbotson, C. D. Murphy, P. S. Foster, M. J. V. Streeter, F. Budde, P. A. Norreys, D. A. Jaroszynski, K. Krushelnick, Z. Najmudin, S. M. Hooker. Phys. Rev. Lett., 100, 105005(2008).

    [42] A. Pak, K. A. Marsh, S. F. Martins, W. Lu, W. B. Mori, C. Joshi. Phys. Rev. Lett., 104, 025003(2010).

    [43] C. McGuffey, A. G. R. Thomas, W. Schumaker, T. Matsuoka, V. Chvykov, F. J. Dollar, G. Kalintchenko, V. Yanovsky, A. Maksimchuk, K. Krushelnick, V. Y. Bychenkov, I. V. Glazyrin, A. V. Karpeev. Phys. Rev. Lett., 104, 025004(2010).

    [44] M. Chen, E. Esarey, C. B. Schroeder, C. G. R. Geddes, W. P. Leemans. Phys. Plasmas, 19, 033101(2012).

    [49] F. Barnsley, B. Matthews, T. Griffin, J. W. A. Salt, D. Ross, C. Cătălin, A. Dibbo, S. Y. Crompton11th New Opportunities for Better User Group Software (NOBUGS). , , , , , , , and , in (), p. 23.(2016).

    [50] W. Lu, M. Tzoufras, C. Joshi, F. Tsung, W. Mori, J. Vieira, R. Fonseca, L. Silva. Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams, 10, 061301(2007).

    [51] M. S. Bloom, M. J. V. Streeter, S. Kneip, R. A. Bendoyro, O. Cheklov, J. M. Cole, A. Döpp, C. J. Hooker, J. Holloway, J. Jiang, N. C. Lopes, H. Nakamura, P. A. Norreys, P. P. Rajeev, D. R. Symes, J. Schreiber, J. C. Wood, M. Wing, Z. Najmudin, S. P. D. Mangles. Phys. Rev. Accel. Beams, 23, 061301(2020).

    [52] A. G. Thomas, S. P. D. Mangles, Z. Najmudin, M. C. Kaluza, C. D. Murphy, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 98, 054802(2007).

    [53] T. Matsuoka, C. McGuffey, P. G. Cummings, Y. Horovitz, F. Dollar, V. Chvykov, G. Kalintchenko, P. Rousseau, V. Yanovsky, S. S. Bulanov, A. G. R. Thomas, A. Maksimchuk, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 105, 034801(2010).

    Tools

    Get Citation

    Copy Citation Text

    M. J. V. Streeter, C. Colgan, C. C. Cobo, C. Arran, E. E. Los, R. Watt, N. Bourgeois, L. Calvin, J. Carderelli, N. Cavanagh, S. J. D. Dann, R. Fitzgarrald, E. Gerstmayr, A. S. Joglekar, B. Kettle, P. Mckenna, C. D. Murphy, Z. Najmudin, P. Parsons, Q. Qian, P. P. Rajeev, C. P. Ridgers, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, G. Sarri, S. P. D. Mangles. Laser wakefield accelerator modelling with variational neural networks[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 010000e9

    Download Citation

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

    Category: Research Articles

    Received: Oct. 14, 2022

    Accepted: Dec. 21, 2022

    Posted: Dec. 22, 2022

    Published Online: Mar. 1, 2023

    The Author Email: M. J. V. Streeter (m.streeter@qub.ac.uk)

    DOI:10.1017/hpl.2022.47

    Topics