Специалисты из Стэнфорда, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и лаборатории SLAC разработали нейросеть, которая считает процессы в мощных лазерах. По данным ScienceDaily, алгоритм выдаёт результат традиционного моделирования за малую долю времени и остаётся точным для импульсов разной формы. Об этом рассказывает Science XXI.
Система ориентирована на нелинейную оптику второго порядка, или процессы χ2. В таких взаимодействиях волны света обмениваются энергией в специальных кристаллах. Из-за этого меняются частота излучения и форма импульсов. Подобные операции нужны на крупных установках, где лазеры дают интенсивный рентген.
На модернизированном источнике LCLS-II в SLAC инфракрасный луч сначала превращают в зелёный, затем в ультрафиолетовый. Ультрафиолетовый импульс попадает на катод и выбивает сгусток электронов. Его ускоряют и формируют, чтобы получить рентгеновские импульсы. От точности формы и синхронизации ультрафиолета зависят параметры сгустка, а значит, и качество рентгена.
Раньше расчёт вели через нелинейное уравнение Шрёдингера и метод расщепления шага Фурье. Такой способ отслеживает эволюцию импульса во времени и по частоте. Он точен, но очень требователен к ресурсам: в полной симуляции на него уходило около 95 процентов времени обработки. В новой системе применили рекуррентную нейросеть LSTM с долговременной памятью, адаптированную к взаимодействию нескольких волн света.
Проверка прошла на генерации суммарной частоты. В кристалле одновременно менялись три связанных световых поля. Нейросеть использовала сжатое описание частотных характеристик и обходилась без множества переходов между временным и частотным представлением. При параллельной обработке задач на графических процессорах на каждую уходили считанные миллисекунды — на порядки быстрее старого метода.
Изменение импульсов модель воспроизводила точно даже при сложном спектре и заметных сдвигах оптической фазы. Учёные также обсуждают объединение отдельных сетей, каждая из которых отвечает за свой физический процесс. Из них можно будет строить цифровые двойники лазерных установок. Такие виртуальные копии помогут следить за экспериментами, предсказывать изменения и быстро подстраивать параметры лазера.