他们做到了！锁模激光器自动锁模耗时从30min骤降到0.22s

       近期，上海交通大学义理林教授课题组提出了基于拟人算法（HLA）的智能锁模激光器，最快开机自动锁模仅需0.22 s，失锁恢复则仅需14.8 ms，均大幅刷新了之前的记录。

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超快激光器是当今光电子技术领域最前沿、最活跃的研究方向之一，也是超快光学系统研究的基础和出发点。物理、化学、生物、信息科学等领域都将超短脉冲作为基本工具。

锁模是产生超短脉冲的主要手段，实现方式有主动锁模、被动锁模以及混合锁模。其中，基于非线性偏振演化（NPE）的被动锁模因其简单的结构和优异的脉冲性能备受学术界的亲睐，通过调节激光腔内的偏振控制器即可实现锁模。但是，手动调节偏振控制器实现锁模耗时较长且重复性差，一旦环境扰动极易失锁且难以恢复，限制了其工业应用。

针对这一困扰业界多年的难题，法国勃艮第大学的U. Andral等人（Optica 2, 275, 2015）利用电控偏振控制器 (EPC) 结合基因演化算法实现了自动锁模。受限于离线的锁模监测装置（示波器加光谱仪）和复杂的算法，该方法自动锁模耗时长达30 min。

同时，失锁中可能出现的调Q不稳定性有很高的脉冲能量，极有可能对激光器后面级联的器件造成不可逆的损伤，因此失锁的快速恢复对激光器的可靠性尤为重要。另外，目前的自动锁模激光器大多只能支持基频锁模的输出，导致它们难以满足不同应用场景的需求。

针对以上难题，上海交通大学义理林教授课题组提出了基于拟人算法（HLA）的智能锁模激光器（见图1），旨在从两个方向着手解决这一难题。

首先，提出了复杂度更低的HLA，以实现更快的开机锁模和失锁恢复。HLA从人为调节锁模状态的过程中受到启发，旨在将人的逻辑与机器的速度、精度和准确度相结合。受益于人高效直观的逻辑，HLA有着很低的算法复杂度，更加符合锁模应用场景中实时性这一要求。

其次，通过分析各种锁模状态的时域特征，提出纯时域的多状态锁模判决标准，利用模数转换器（ADC）、现场可编程门阵列（FPGA）和数模转换器（DAC）即可搭建实时的反馈系统，进一步提升了激光器在开机锁模和失锁恢复的时间性能。

其中，ADC负责采集激光器输出波形，相当于人为调节锁模过程中的人眼识别波形；DAC负责输出直流信号调节EPC，相当于人为调节锁模过程中的手动调节偏振态；FPGA负责对采集到的波形进行分析和鉴别同时运行HLA，相当于人为调节锁模过程中大脑判断是否锁模并控制手动调节。

图1. 基于HLA的智能锁模激光器

图2. (a) 激光器性能对比；(b) HLA算法示意图

在最快的测试中，开机自动锁模仅需0.22 s，失锁恢复则仅需14.8 ms，均大幅刷新了之前的记录（见图2）。通过提取不同状态的特征来建立不同的鉴别标准，基于HLA的智能锁模激光器还可以自动锁定到谐波锁模、调Q及调Q锁模等多种状态（见图3），且可根据需求在多种状态之间来回切换。

由于锁模状态鉴别不需使用示波器和光谱仪，采用低速ADC/DAC结合FPGA控制电路即可实现，因此该智能锁模激光器可设计为便携式模块，大大降低成本，满足工业应用的需求。

图3. 多种输出状态（从左到右：基频锁模、二次谐波锁模、三次谐波锁模、调Q、调Q锁模）

相关成果以Intelligent programmable mode-locked fiber laser with a human-like algorithm 为题发表于Optica [6(3): 362, 2019]。

论文链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-3-362

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