圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于人工智能算法實(shí)現(xiàn)飛秒激光指向抖動(dòng)控制領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Pointing jitter correction in hollow-core fiber nonlinear systems based on LSTM”為題發(fā)表于Applied Optics。

飛秒激光技術(shù)作為超快科學(xué)、精密制造和極端強(qiáng)場(chǎng)物理研究的關(guān)鍵工具，其指向穩(wěn)定性是評(píng)估飛秒激光器性能的核心參數(shù)之一。環(huán)境振動(dòng)、熱漂移、空氣擾動(dòng)以及非線性效應(yīng)等因素會(huì)引起指向抖動(dòng)，飛秒激光在空芯光纖(Hollow-Core Fiber, HCF)等非線性系統(tǒng)中，由于傳輸過(guò)程中經(jīng)歷如自相位調(diào)制、自聚焦等非線性效應(yīng)，使得輸入與輸出之間呈現(xiàn)高度非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定系統(tǒng)或線性反饋機(jī)制往往難以有效應(yīng)對(duì)。

圖2 未經(jīng)校正的水平(a)和豎直(b)指向穩(wěn)定性。(c)指向抖動(dòng)分布示意圖，(d)中心點(diǎn)統(tǒng)計(jì)示意圖。

圖3 經(jīng)校正的水平(a)和豎直(b)指向穩(wěn)定性。(c)指向抖動(dòng)分布示意圖，(d)中心點(diǎn)統(tǒng)計(jì)示意圖。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究創(chuàng)新性地構(gòu)建了基于深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)穩(wěn)定架構(gòu)即長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-Term Memory, LSTM)模型，構(gòu)建了一種三層結(jié)構(gòu)的時(shí)序?qū)W習(xí)反饋系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)在面對(duì)來(lái)自環(huán)境擾動(dòng)、系統(tǒng)非線性以及多源耦合反饋的復(fù)合擾動(dòng)時(shí)，依然可以實(shí)現(xiàn)高精度預(yù)測(cè)與快速校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未校正狀態(tài)下，HCF輸出端激光指向在水平方向和豎直方向的RMS抖動(dòng)分別為4.04和4.64 μrad，通過(guò)實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行反饋控制，指向抖動(dòng)被有效抑制至0.869和0.903 μrad，穩(wěn)定性大幅提升。相比傳統(tǒng)回歸模型和淺層網(wǎng)絡(luò)，三層LSTM在預(yù)測(cè)精度與收斂性能方面表現(xiàn)理想，且具備良好的訓(xùn)練穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。本研究不僅為非線性光學(xué)系統(tǒng)中飛秒激光指向穩(wěn)定輸出提供了保障，也展示了機(jī)器學(xué)習(xí)在非線性光學(xué)系統(tǒng)反饋控制中的巨大潛力，為構(gòu)建新一代智能化、高帶寬、自適應(yīng)的超快激光系統(tǒng)提供了理論支撐和技術(shù)途徑。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃的支持。

審核編輯 黃宇