Automated control and optimization of laser-driven ion acceleration

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

doi:10.1017/hpl.2023.23

[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).