Ученые НГУ разработали «умные лазеры»

Исследователи лаборатории технологий фотоники и машинного обучения для сенсорных систем Физического факультета Новосибирского государственного университета в коллаборации с исследователями Сколковского института науки и технологий создали самонастраивающийся волоконный лазерный источник ультракоротких импульсов.

Работы проводились в рамках гранта Российского научного фонда «Нелинейная фотоника для оптических коммуникаций и лазерных приложений» по направлению «Оптические коммуникации и лазерные технологии». В ближайшее время в научном журнале «Nanophotonics» появится публикация о полученных результатах.

Как рассказал младший научный сотрудник лаборатории технологий фотоники и машинного обучения для сенсорных систем Евгений Куприков, волоконные лазеры с синхронизацией мод представляют собой нелинейные оптические системы, обеспечивающие генерацию сверхкоротких импульсов с высокой частотой повторения. В зависимости от стратегии настройки параметров резонатора, при одних и тех же параметрах могут существовать разные импульсные режимы.

Настройка подобных систем с трудом поддается автоматизации, из-за чего многие из таких лазерных источников могут существовать только в рамках лаборатории. Тем не менее, человек в состоянии научиться настраивать лазеры с синхронизацией мод. Процесс настройки чем-то напоминает игру, в которой в качестве джойстика выступают ручки приборов, а для победы необходимо получить желаемый режим генерации. Наша основная идея заключается в том, чтобы заменить человека в этом процессе на интеллектуального агента, который методом проб и ошибок самостоятельно сможет найти выигрышную стратегию настройки и использовать ее в дальнейшем. Для этого мы используем подход глубокого обучения с подкреплением. Это некое междисциплинарное исследование, объединяющее две разных области — лазерные системы и алгоритмы искусственного интеллекта, — объяснил ученый.

В литературе такие системы называют «умными лазерами». Они могут настраиваться без участия человека. Но и им требуется предварительная настройка, которая называется обучением.

Исследователи из Сколковского института науки и технологий в лаборатории наноматериалов разработали и собрали новый волоконный лазер с насыщающимся поглотителем на основе ионной ячейки из углеродных нанотрубок. Оказалось, что, подавая напряжение на ячейку из нанотрубок, можно управлять характеристиками насыщающегося поглотителя, что предоставляет дополнительную степень свободы в управлении лазером.

Было показано, что в таком лазере могут быть получены режимы гармонической синхронизации мод, при которой происходит кратное увеличение частоты повторения импульсов в режиме. Однако для получения режимов гармонической синхронизации мод большого порядка необходимо вмешательство человека, который бы смог обеспечить настройку лазера. На этом этапе к работе удаленно подключились специалисты лаборатории ФФ НГУ и занялись разработкой алгоритма для настройки волоконного лазера. При этом сама установка находилась в Сколковском институте науки и технологий в Москве.

Наша лаборатория предложила использовать алгоритм обучения с подкреплением Soft Actor-Critic для решения поставленной задачи. После автоматизации и предварительной подготовки процесс обучения занял один день. За это время агент научился без участия человека самостоятельно запускать лазер и находить режимы с высоким порядком гармонической синхронизации. При этом сама настройка лазера происходит гораздо быстрее, чем при участии человека. Более того, агент сумел научиться получать режимы гармонической синхронизации мод 11-ого порядка, в то время как человеку удалось достичь лишь 9-ого порядка, — рассказал Евгений Куприков.  

Импульсные «умные» лазеры могут применяться в металлообработке, системах связи и высокотехнологичной медицине, а также в инженерных и научных исследованиях. Сотрудники лаборатории нацелены на создание лазерных систем, которые работали бы безотказно, были просты в применении и не требовали настройки со стороны человека.