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、激光雷達等。鎖模光纖激光器作為一個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。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)進而訪問特定的鎖模態(tài)是一個頗具挑戰(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)上是一個多維參量空間，實驗上需要調(diào)諧至少7個參量（泵浦、損耗、色散、非線性和三個波片角度）才能遍歷整個參數(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過程來獲得想要的鎖模態(tài)，并且手動搜尋鎖模態(tài)的重復(fù)性差、精度低，給實驗造成很大困難。

近年來，機器學(xué)習方法在智能激光器設(shè)計方面展現(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展。

二、關(guān)鍵研究進展

1、孤子智能鎖模

孤子是傳輸時脈寬等參數(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非常便捷的平臺。

（1）基于進化算法的智能鎖模

進化算法是在達爾文進化論“適者生存"理念的啟發(fā)下提出的。在激光器中，利用進化算法可以為設(shè)定的控制目標（目標鎖模態(tài)）搜尋到適合的個體（激光參數(shù)），每個個體的優(yōu)劣由適應(yīng)度函數(shù)來評估，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等人利用進化算法次在被動鎖模光纖激光器中實現(xiàn)了智能鎖模，基于激光強度和頻譜設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)，可以確保每次鎖模均為基頻鎖模。

圖1 進化算法實現(xiàn)智能鎖模[1]

（2）基于類人算法的智能鎖模

進化算法盡管應(yīng)用廣泛，但是激光器鎖模區(qū)參量空間分散，常常導(dǎo)致進化算法運算時間較長。2019年，上海交通大學(xué)蒲國慶等人次實現(xiàn)了基于類人算法的鎖模激光器，類人算法通過引入激勵和懲罰機制模仿人的邏輯來調(diào)節(jié)偏振控制器，再通過隨機碰撞快速恢復(fù)鎖模。該激光器實現(xiàn)了迄今為止短的激光器啟動時間（0.22 s）以及極短鎖?；謴?fù)時間（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)庫進而訓(xùn)練模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對激光器的穩(wěn)定控制和失鎖后的快速恢復(fù)。2021年，國防科技大學(xué)江天研究員團隊針對自動鎖模光纖激光器提出了一種低延遲的深度強化學(xué)習算法，利用該算法可以實現(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)加入濾波器實現(xiàn)對光譜的控制，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)義理林教授團隊利用遺傳算法次實現(xiàn)了對脈沖光譜和脈沖形狀的智能控制。該研究方法結(jié)合其它超快探測技術(shù)，進一步控制鎖模激光器其它參數(shù)，如脈沖相位和時域波形等。

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。近有工作表明當激光器中有多個橫模時，也可實現(xiàn)橫模和縱模的同時鎖定，即“時空鎖模"。時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，實現(xiàn)了多模激光器的時空鎖模，并且實現(xiàn)了對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、脈寬等會隨著時間周期性變化，因此被稱為“呼吸子"（或者脈動孤子）。2021年，華東師范大學(xué)吳修齊等人利用遺傳算法次實現(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力學(xué)過程。通過將激光器色散調(diào)整至近零色散，會產(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，該團隊結(jié)合智能控制系統(tǒng)次實現(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)往返光譜的時空演化圖，白色曲線代表能量；（d）腔內(nèi)往返脈沖時域的時空演化圖

圖6 鎖定呼吸子和未鎖定呼吸子頻率隨時間的變化，其中SD為標準差

三、總結(jié)與展望

本文回顧了智能控制技術(shù)在被動鎖模光纖激光器中的應(yīng)用?；谥悄芸刂萍夹g(shù)，激光器可以實現(xiàn)對鎖模態(tài)的自動化產(chǎn)生和控制，不需要手動調(diào)諧，縮短了調(diào)諧時間，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，當前智能控制技術(shù)的重點在于控制激光器，實現(xiàn)激光器的自動調(diào)節(jié)。智能控制技術(shù)能否對激光物理產(chǎn)生影響是一個開放性問題。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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