近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部周佳琦研究員團(tuán)隊(duì)，在深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)光纖放大器中斯托克斯脈沖演化方向取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Deep learning prediction of Stokes pulse evolution in ultrafast Raman fiber amplifiers”為題，發(fā)表在Chinese Optics Letters上。

非線性光學(xué)增益調(diào)制（Nonlinear Optical Gain Modulation, NOGM）作為新興的超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)，在超快拉曼光纖激光等非線性系統(tǒng)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)基于廣義非線性薛定諤方程（GNLSE）的建模仿真方法計(jì)算效率較低，嚴(yán)重制約了其在需要實(shí)時(shí)計(jì)算的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)中的集成應(yīng)用。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)技術(shù)與非線性光纖光學(xué)數(shù)值仿真相結(jié)合，開發(fā)了專用于NOGM拉曼光纖激光放大器預(yù)測(cè)的四層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCNN）模型。該模型以初始泵浦脈沖能量、脈沖寬度和光包絡(luò)傳輸距離為輸入，通過優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和訓(xùn)練策略，能夠精準(zhǔn)捕捉非線性光學(xué)過程中的關(guān)鍵物理特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光譜的高精度預(yù)測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了模型在不同光纖類型和輸入?yún)?shù)組合下的性能。結(jié)果表明：在核心參數(shù)范圍內(nèi)，模型實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光譜預(yù)測(cè)精度；對(duì)訓(xùn)練集外參數(shù)仍展現(xiàn)出良好的泛化能力；尤其值得注意的是，其計(jì)算效率較傳統(tǒng)GNLSE方法提升高達(dá)86倍，為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供了新的技術(shù)可能。該方法有望顯著縮短超快拉曼光纖激光器的數(shù)值仿真和優(yōu)化周期，推動(dòng)高功率、高穩(wěn)定性脈沖光源的智能化設(shè)計(jì)與調(diào)控。

該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金的支持。

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圖1 仿真的非線性增益調(diào)制拉曼光纖放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PM 980光纖中，初始泵浦脈沖參數(shù)為400 nJ和10 ps時(shí)，廣義非線性薛定諤方程(GNLSE)模擬和全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FCNN)預(yù)測(cè)光譜的比較：(a) GNLSE模擬的光譜演化；(b) FCNN預(yù)測(cè)的光譜演化；(c) 絕對(duì)誤差分布；(d-i) 在特定傳輸距離下的光譜比較（z = 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0米）。