Uczenie maszynowe optymalizuje eksperymenty z laserem wysokiej mocy

Międzynarodowy zespół badawczy z Lawrence Livermore National Laboratory, Fraunhofer ILT i ELI - Extreme Light Infrastructure w obiekcie ELI Beamlines, Praga, Czechy. © ELI ERIC / Międzynarodowy zespół badawczy z Lawrence Livermore National Laboratory, Fraunhofer ILT i ELI - Extreme Light Infrastructure w obiekcie ELI Beamlines, Praga, Czechy. © ELI ERIC

Zespół międzynarodowych naukowców z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT oraz Extreme Light Infrastructure (ELI) wspólnie przeprowadził eksperyment mający na celu optymalizację wysokowydajnych laserów o wysokiej częstotliwości powtarzania za pomocą uczenia maszynowego. Eksperyment ten stanowi znaczący postęp w badaniach, zrozumieniu i praktycznym zastosowaniu laserów wysokiej energii.

»Naszym celem było wykazanie solidnej diagnostyki jonów i elektronów przyspieszanych laserowo z twardych celów przy wysokiej intensywności i częstotliwości powtarzania«, wyjaśnia Matthew Hill, główny badacz z LLNL. »Dzięki szybkiemu połączeniu algorytmu optymalizacyjnego z dziedziny uczenia maszynowego z frontem lasera udało się zmaksymalizować wydajność generowanego promienia jonowego.«

Poprzez połączenie najnowocześniejszej technologii laserowej z uczeniem maszynowym, te wspólne działania badawcze otwierają nowe możliwości dla badań w różnych innych dziedzinach, takich jak terapia medyczna, nauki materiałowe czy dziedzictwo kulturowe.

Ponad 4000 impulsów, które zostały wyemitowane podczas fazy testowej i które wielokrotnie przekraczały intensywności laserowe 3x10^21 W/cm² na cele stałe, wykazały wyraźną optymalizację poza typowo osiąganymi wydajnościami jonów. »Cały zespół z dużym zaangażowaniem wyprodukował ogromną ilość wysokiej jakości danych. Teraz muszą one zostać przetworzone, aby w kolejnym kroku można było przeanalizować podstawową fizykę«, mówi Hill.

Eksperyment odbył się w obiekcie ELI Beamlines w Czechach, gdzie naukowcy wykorzystali najnowocześniejszy system laserowy High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System (L3-HAPLS), aby generować protony w laserowo-plazmowym akceleratorze jonów ELIMAIA. Laser L3-HAPLS jest znany ze stabilności swojej mocy impulsu laserowego, precyzji, jakości wiązki oraz zdolności do generowania intensywnych impulsów laserowych z wysoką częstotliwością powtarzania. Umożliwia to ponownie realizację źródeł wtórnych do generowania elektronów, jonów i promieniowania rentgenowskiego. Bezprecedensowa powtarzalność L3-HAPLS pozwoliła zespołowi skoncentrować się na zrozumieniu oddziaływania laser-plazma.

»Korzystając z HAPLS i łącząc go z przełomowym uczeniem maszynowym, rozpoczęliśmy niezwykły projekt mający na celu lepsze zrozumienie skomplikowanej fizyki oddziaływania laser-plazma«, dodaje Constantin Häfner, kierownik Fraunhofer ILT i katedry technologii laserowej LLT na Uniwersytecie RWTH Aachen. »Wspólne działania badawcze są wyraźnym dowodem na to, jak praca zespołowa i postęp technologiczny mogą wspólnie przyczynić się do poszerzania granic wiedzy naukowej.«

Zarówno dla obiektu, jak i dla zespołu badawczego z dziedziny fizyki plazmy wysokiej energii, udane połączenie uczenia maszynowego z diagnostyką celów i sterowaniem dyspersji wysokowydajnego lasera o wysokiej częstotliwości powtarzania stanowi ważny kamień milowy.

»Sukces w realizacji tak skomplikowanego eksperymentu jest dowodem na najwyższą jakość i niezawodność systemu laserowego L3-HAPLS«, mówi Bedrich Rus, główny naukowiec laserowy w ELI Beamlines. Daniele Margarone, dyrektor ds. badań i operacji w ELI Beamlines, podsumowuje: »Takie eksperymenty dowodzą gotowości i zdolności ELI do poszerzania granic wiedzy. My w ELI dążymy do umożliwiania przełomowych eksperymentów, które na nowo zdefiniują możliwości nauki o laserach i nie tylko.«