鎖模激光器在很多領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，例如光學(xué)頻率梳、精密制造、光纖通信、激光雷達(dá)等。鎖模光纖激光器作為一個(gè)便捷的桌面化非線性系統(tǒng)，在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，例如鎖模光纖激光器為非線性科學(xué)研究提供了理想的平臺(tái)。由于鎖模激光器中存在復(fù)雜的鎖模區(qū)間，如何控制激光器的參數(shù)進(jìn)而訪問特定的鎖模態(tài)是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的難題。以常用的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)的飛秒光纖激光器為例，其在數(shù)學(xué)上是一個(gè)多維參量空間，實(shí)驗(yàn)上需要調(diào)諧至少7個(gè)參量（泵浦、損耗、色散、非線性和三個(gè)波片角度）才能遍歷整個(gè)參數(shù)空間。由于鎖模態(tài)和這些參量之間缺乏確定的函數(shù)關(guān)系，研究人員往往需要通過漫長的試錯(cuò)過程來獲得想要的鎖模態(tài)，并且手動(dòng)搜尋鎖模態(tài)的重復(fù)性差、精度低，給實(shí)驗(yàn)造成很大困難。

近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法在智能激光器設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)出了巨大潛力，這種激光器可以自調(diào)節(jié)至所需的工作狀態(tài)，無需人工調(diào)諧，解決了鎖模態(tài)控制難題，本文回顧和梳理了智能鎖模光纖激光器的原理和主要進(jìn)展。

二、關(guān)鍵研究進(jìn)展

1、孤子智能鎖模

孤子是傳輸時(shí)脈寬等參數(shù)保持不變的一種波包。利用孤子效應(yīng)可以在激光器中產(chǎn)生穩(wěn)定的超短脈沖激光。通信波段光纖中天然包含了產(chǎn)生孤子所需的兩種物理效應(yīng)——反常色散和克爾效應(yīng)，因此光纖激光器是產(chǎn)生孤子、研究孤子物理的一個(gè)非常便捷的平臺(tái)。

（1）基于進(jìn)化算法的智能鎖模

進(jìn)化算法是在達(dá)爾文進(jìn)化論“適者生存"理念的啟發(fā)下提出的。在激光器中，利用進(jìn)化算法可以為設(shè)定的控制目標(biāo)（目標(biāo)鎖模態(tài)）搜尋到適合的個(gè)體（激光參數(shù)），每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣由適應(yīng)度函數(shù)來評(píng)估，通過多次選擇、交叉、變異直至系統(tǒng)獲得最大適應(yīng)度。2015年，勃艮第大學(xué)Andral等人利用進(jìn)化算法次在被動(dòng)鎖模光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了智能鎖模，基于激光強(qiáng)度和頻譜設(shè)計(jì)的適應(yīng)度函數(shù)，可以確保每次鎖模均為基頻鎖模。

圖1 進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)智能鎖模[1]

（2）基于類人算法的智能鎖模

進(jìn)化算法盡管應(yīng)用廣泛，但是激光器鎖模區(qū)參量空間分散，常常導(dǎo)致進(jìn)化算法運(yùn)算時(shí)間較長。2019年，上海交通大學(xué)蒲國慶等人次實(shí)現(xiàn)了基于類人算法的鎖模激光器，類人算法通過引入激勵(lì)和懲罰機(jī)制模仿人的邏輯來調(diào)節(jié)偏振控制器，再通過隨機(jī)碰撞快速恢復(fù)鎖模。該激光器實(shí)現(xiàn)了迄今為止短的激光器啟動(dòng)時(shí)間（0.22 s）以及極短鎖模恢復(fù)時(shí)間（14.8 ms）。

圖2 基于類人算法的智能激光器[2]

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能鎖模

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，促進(jìn)了智能鎖模激光器的發(fā)展。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同鎖模狀態(tài)下建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)而訓(xùn)練模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光器的穩(wěn)定控制和失鎖后的快速恢復(fù)。2021年，國防科技大學(xué)江天研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)自動(dòng)鎖模光纖激光器提出了一種低延遲的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，利用該算法可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度下，快速恢復(fù)激光器鎖模狀態(tài)。

2、鎖模激光器的光譜智能調(diào)控

超短脈沖的光譜調(diào)控常用方法是在腔內(nèi)加入濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的控制，但這一方案降低了激光器的集成度，并且濾波器也引入了較大損耗，導(dǎo)致激光器轉(zhuǎn)換效率較低。事實(shí)上，鎖模激光器通過調(diào)節(jié)自身參數(shù)也可以使光譜在一定范圍內(nèi)調(diào)諧。2020年，上海交通大學(xué)義理林教授團(tuán)隊(duì)利用遺傳算法次實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖光譜和脈沖形狀的智能控制。該研究方法結(jié)合其它超快探測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步控制鎖模激光器其它參數(shù)，如脈沖相位和時(shí)域波形等。

圖3 光譜寬度和形狀可編程的光纖激光器[3]

3、時(shí)空鎖模自調(diào)控

傳統(tǒng)鎖模是指激光縱模的鎖定。近有工作表明當(dāng)激光器中有多個(gè)橫模時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)橫模和縱模的同時(shí)鎖定，即“時(shí)空鎖模"。時(shí)空鎖模激光器突破了單模激光器的功率限制，具有重要前景。然而，多模激光器的參量空間隨著模式的增加幾乎呈幾何式增加，人工調(diào)諧已很難滿足需求，極大限制了時(shí)空鎖模技術(shù)的發(fā)展。2020年，華南理工大學(xué)韋小明教授等人利用智能化控制技術(shù)很好地解決了這一問題，將波前整形技術(shù)和遺傳算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多模激光器的時(shí)空鎖模，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)多模光斑的智能控制。

圖4 多模智能光纖激光器[4]

4、呼吸子智能調(diào)控

近些年來，呼吸子超快激光取得了快速發(fā)展。傳統(tǒng)鎖模激光器輸出的是一系列等同的超短脈沖（孤子脈沖），呼吸子激光器輸出的脈沖參數(shù)如能量、光譜、脈寬等會(huì)隨著時(shí)間周期性變化，因此被稱為“呼吸子"（或者脈動(dòng)孤子）。2021年，華東師范大學(xué)吳修齊等人利用遺傳算法次實(shí)現(xiàn)了激光器中呼吸子多維度的智能調(diào)控，具體包括呼吸比、呼吸周期、呼吸子數(shù)量，并借助該工具研究了多脈沖呼吸子的超快動(dòng)力學(xué)過程。通過將激光器色散調(diào)整至近零色散，會(huì)產(chǎn)生分形呼吸子，分形呼吸子比普通呼吸子呼吸頻率穩(wěn)定性提升超3500倍。2022年，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合智能控制系統(tǒng)次實(shí)現(xiàn)了分形呼吸子的智能控制[5-6]。

圖5 單呼吸子智能搜尋結(jié)果。（a）基于遺傳算法的平均（紅色圓圈）和大（藍(lán)色方塊）適應(yīng)度值演化；（b）~（d）優(yōu)化下狀態(tài)的特征：（b）呼吸子頻譜；（c）腔內(nèi)往返光譜的時(shí)空演化圖，白色曲線代表能量；（d）腔內(nèi)往返脈沖時(shí)域的時(shí)空演化圖

圖6 鎖定呼吸子和未鎖定呼吸子頻率隨時(shí)間的變化，其中SD為標(biāo)準(zhǔn)差

三、總結(jié)與展望

本文回顧了智能控制技術(shù)在被動(dòng)鎖模光纖激光器中的應(yīng)用。基于智能控制技術(shù)，激光器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖模態(tài)的自動(dòng)化產(chǎn)生和控制，不需要手動(dòng)調(diào)諧，縮短了調(diào)諧時(shí)間，提升了調(diào)諧的精度以及鎖模態(tài)的可重復(fù)性。這種自優(yōu)化的超短脈沖激光器在某些特殊環(huán)境下也具有一定的應(yīng)用前景，包括遺傳算法在內(nèi)的一系列智能算法有望應(yīng)用于其他更為復(fù)雜的鎖模態(tài)的智能化控制。此外，當(dāng)前智能控制技術(shù)的重點(diǎn)在于控制激光器，實(shí)現(xiàn)激光器的自動(dòng)調(diào)節(jié)。智能控制技術(shù)能否對(duì)激光物理產(chǎn)生影響是一個(gè)開放性問題。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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