一种超短脉冲激光产生系统及调控方法

本技术涉及激光，尤其涉及一种超短脉冲激光产生系统及调控方法。

背景技术：

1、超短脉冲激光具有峰值功率高、脉宽窄等优点，在光纤通信、精密测量、生物医学及非线性光学等领域中应用广泛。其中，孤子脉冲及由多个孤子脉冲束缚形成的孤子分子，具有稳定的传输特性和较高的相干性，能够为高速光通信与光存储提供无脉冲、单脉冲、双脉冲、三脉冲等多进制编码的物理载体，在面向不同传输距离（近距离高速、远距离稳定）的光通信应用中具有重要价值。

2、为了获得无脉冲、单脉冲、双脉冲、三脉冲等多种脉冲编码状态，现有技术通常依赖人工经验反复调节泵浦功率与色散元件，或预设固定参数集合按流程切换，或直接以完整物理仿真为评估函数进行网格搜索、随机搜索或传统高斯过程代理的贝叶斯优化。然而，人工调参耗时且依赖操作者经验，难以稳定可重复地命中窗口较窄的多脉冲束缚态；预设集合难以应对激光器参数时变导致的映射漂移，适应性差；直接数值寻优每次评估均需运行完整物理仿真，计算开销大、在线实时性差，且传统高斯过程对锁模激光器中存在大量"无效区域"、有效区与无效区阶跃突变、且需同时满足脉冲数量/脉宽/射频信噪比多目标约束的响应面建模能力不足，导致搜索命中率低、稳定性差。因此，如何在单一全保偏激光器中，面向任意目标脉冲参数自动、快速、稳定地确定对应的增益系数与腔内净色散控制参数，并实现多脉冲编码状态的可重复切换与长期稳定输出，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种超短脉冲激光产生系统及调控方法，该方法通过“锁模有效性标签标注—正向人工神经网络模型训练—目标参数驱动的贝叶斯优化—仿真验证—物理执行”的闭环，将目标脉冲参数自动映射为实际光路的控制参数，从而在单一全保偏激光器中实现多脉冲编码状态的可控输出。

2、本技术第一方面提供一种超短脉冲激光调控方法，应用于全保偏环形激光谐振腔，包括：

3、构建与实验光路对应的色散可调激光器仿真模型，通过所述仿真模型求解不同增益系数、不同腔内净色散下的脉冲输出参数，生成包含锁模有效性标签、脉冲数量、脉冲宽度、射频信噪比的仿真数据集；

4、采用所述仿真数据集训练正向人工神经网络模型；训练过程中，对锁模有效性标签为无效的参数组合，屏蔽其脉冲宽度与射频信噪比的回归损失，并将其脉冲数量标记为无效类别；

5、获取目标脉冲参数；所述目标脉冲参数包括目标脉冲状态、目标脉冲宽度范围和目标射频信噪比下限；所述目标脉冲状态包括无脉冲状态、单脉冲状态、双脉冲状态和三脉冲状态四种编码状态；

6、以训练完成的所述正向人工神经网络模型为贝叶斯优化的代理模型，以所述目标脉冲参数为寻优约束，在参数搜索空间内搜索候选控制参数；将所述候选控制参数输入所述仿真模型进行仿真验证，从满足所述目标脉冲参数的候选控制参数中筛选得到推荐控制参数；

7、将所述推荐控制参数中的增益系数换算为保偏泵浦光源的目标泵浦功率，将所述推荐控制参数中的腔内净色散换算为可调多程色散补偿模块的目标工作参数；所述目标工作参数包括所述可调多程色散补偿模块的离散档位与连续微调；

8、控制所述保偏泵浦光源与所述可调多程色散补偿模块工作，使所述可调多程色散补偿模块以所述离散档位与所述连续微调相配合的方式调节所述腔内净色散，使激光沿所述全保偏环形激光谐振腔的保偏光纤慢轴方向单偏振输出与所述目标脉冲状态对应的脉冲状态。

9、在一些可行的实现方式中，生成所述仿真数据集时，提取第i次循环输出的脉冲能量与第i+m次循环输出的脉冲能量，计算能量相对变化量；当所述能量相对变化量小于能量收敛阈值时，判定脉冲状态收敛；

10、在脉冲状态收敛、脉冲宽度稳定、脉冲数量可确定且射频信噪比满足预设条件时，将对应参数组合的锁模有效性标签标记为有效；否则标记为无效，并将对应参数组合的脉冲宽度和射频信噪比标记为空值。

11、在一些可行的实现方式中，所述正向人工神经网络模型包括输入层、共享隐藏层和多个输出头；

12、所述共享隐藏层包括多层全连接神经网络，各层采用relu激活函数，相邻层之间设置dropout层正则化；

13、所述多个输出头包括有效性分类输出头、脉冲数量分类输出头、脉冲宽度回归输出头和射频信噪比回归输出头；

14、所述正向人工神经网络模型的总损失函数为：

15、；

16、其中，为锁模有效性分类损失，为脉冲数量分类损失，为脉冲宽度回归损失，为射频信噪比回归损失，为锁模有效性标签。

17、在一些可行的实现方式中，通过贝叶斯优化搜索候选控制参数时，搜索损失包括有效性约束项、脉冲数量约束项、脉冲宽度约束项、射频信噪比下限约束项和射频信噪比奖励项；

18、当所有候选控制参数经仿真验证均不满足目标脉冲参数时，将验证结果作为新增样本并入所述仿真数据集，微调所述正向人工神经网络模型后重新执行贝叶斯优化，形成闭环迭代；

19、所述方法还包括：将无脉冲状态、单脉冲状态、双脉冲状态、三脉冲状态四种编码状态映射为四进制码元，实现2bit/symbol的四进制光编码。

20、本技术第一方面提供的超短脉冲激光调控方法，通过构建与实验光路对应的色散可调激光器仿真模型生成含锁模有效性标签的仿真数据集，并以掩膜机制训练多任务正向人工神经网络模型、以目标脉冲参数为寻优约束驱动贝叶斯优化、经仿真验证筛选推荐控制参数，能够自动、快速、可重复地获得与任意目标脉冲状态匹配的控制参数，显著降低人工调参与试错成本，提高调控效率与重复性。

21、本技术第二方面提供的超短脉冲激光产生系统，包括全保偏环形激光谐振腔、数据处理与通信模块、计算机系统和系统控制与状态反馈模块；

22、所述全保偏环形激光谐振腔中各光学器件之间通过保偏无源光纤连接，沿激光传输方向依次设置有泵浦增益模块、可调多程色散补偿模块、保偏色散补偿模块、输出监测模块以及可饱和吸收模块；

23、所述泵浦增益模块被配置为产生泵浦光并放大信号光；

24、所述可调多程色散补偿模块被配置为调节所述全保偏环形激光谐振腔的腔内净色散；

25、所述保偏色散补偿模块为具有正色散的保偏光纤，被配置为提供腔内固定正色散偏置；

26、所述输出监测模块被配置为输出激光并分出监测光路，实时采集脉冲参数；

27、所述可饱和吸收模块被配置为对信号光进行锁模；

28、所述计算机系统内置有用于执行如上所述的超短脉冲激光调控方法的仿真模型、正向人工神经网络模型和贝叶斯优化模块，被配置为生成推荐控制参数；

29、所述系统控制与状态反馈模块分别与所述泵浦增益模块、所述可调多程色散补偿模块电连接，被配置为根据所述推荐控制参数执行硬件调控；

30、所述数据处理与通信模块分别与所述输出监测模块、所述计算机系统、所述系统控制与状态反馈模块电连接，被配置为传输实时脉冲参数与控制指令，使系统选择性输出无脉冲状态、单脉冲状态、双脉冲状态、三脉冲状态四种编码状态的脉冲。

31、在一些可行的实现方式中，所述可调多程色散补偿模块包括沿光路依次设置的保偏准直器、楔形高色散玻璃组、mems反射镜阵列、保偏准直器阵列以及电控光路选通开关；

32、所述保偏准直器被配置为将光纤传输的信号光转换为空间光；所述楔形高色散玻璃组被配置为提供正色散；所述mems反射镜阵列被配置为调节信号光穿过所述楔形高色散玻璃组的往返次数；所述保偏准直器阵列被配置为将空间光转换回光纤传输；所述电控光路选通开关被配置为选通输出通道；

33、所述楔形高色散玻璃组还对应设置有电控位移台，所述电控位移台与所述系统控制与状态反馈模块电连接，被配置为调节信号光穿过楔形高色散玻璃组的等效光程；

34、其中，所述可调多程色散补偿模块还包括固定反射镜阵列，所述固定反射镜阵列与所述mems反射镜阵列分别设置于所述楔形高色散玻璃组的入射侧与出射侧；所述固定反射镜阵列被配置为对经mems反射镜阵列折返的光束进行角度补偿，使光束再次入射所述楔形高色散玻璃组。

35、在一些可行的实现方式中，所述mems反射镜阵列包括多个可独立在反射状态与避让状态之间切换的mems反射镜，所述固定反射镜阵列包括多个固定反射镜，且所述mems反射镜的数量比所述固定反射镜的数量多一个；

36、同一时刻所述mems反射镜阵列中仅有一个mems反射镜处于避让状态，其余mems反射镜均处于反射状态；通过切换处于避让状态的mems反射镜的位置，调节信号光穿过所述楔形高色散玻璃组的往返次数，实现腔内净色散的离散档位调节。

37、在一些可行的实现方式中，所述楔形高色散玻璃组包括固定高色散玻璃与可移动高色散玻璃，所述固定高色散玻璃和所述可移动高色散玻璃的斜边相对设置且斜边面相互贴合，形成宽度一致的矩形通光区域；

38、所述电控位移台与所述可移动高色散玻璃传动连接，被配置为驱动所述可移动高色散玻璃沿斜边方向平移，调节所述矩形通光区域的宽度，改变信号光穿过楔形高色散玻璃组的等效厚度，实现腔内净色散的连续精细调节。

39、在一些可行的实现方式中，所述电控光路选通开关设置于所述保偏准直器阵列的输出端，与所述系统控制与状态反馈模块电连接，被配置为与所述mems反射镜阵列同步动作：当目标编号的mems反射镜切换至避让状态时，同步选通与所述mems反射镜对应编号的输出通道，关闭其余通道；

40、所述电控光路选通开关还被配置为对所述mems反射镜阵列的工作状态进行冗余校验，当选通通道未检测到信号光输出时，向所述系统控制与状态反馈模块反馈光路异常并执行重新切换操作；

41、所述系统控制与状态反馈模块为单片机与fpga组成的双核控制器，内置泵浦电流调控子模块、电动位移台控制子模块、mems反射镜驱动子模块以及光路选通开关控制分配模块；所述计算机系统中，所述贝叶斯优化模块以训练完成的所述正向人工神经网络模型为代理模型，用于候选控制参数的快速评估与搜索。

42、在一些可行的实现方式中，所述可饱和吸收模块包括锥形可饱和吸收体，所述锥形可饱和吸收体由单模保偏光纤拉锥制备，锥腰区域沉积有在目标波段具有可饱和吸收效应的二维材料；所述锥形可饱和吸收体在拉制过程中保持保偏光纤的偏振保持特性不发生改变，被配置为对沿慢轴传输的信号光进行锁模；

43、所述输出监测模块包括第一保偏耦合器、第二保偏耦合器、脉冲宽度测量模块和脉冲参数实时监测模块；所述脉冲宽度测量模块包括放大光路和自相关仪，所述数据处理与通信模块被配置为根据自相关曲线，采用sech2型与高斯型脉冲形状模型拟合换算脉冲宽度，并根据相关峰数量与间隔确定束缚态孤子分子的子脉冲数量与间隔；

44、所述脉冲参数实时监测模块包括高速光电探测器、射频频谱仪和光功率检测单元，被配置为测量输出激光的重复频率、射频信噪比和平均输出功率。

45、本技术第二方面提供的超短脉冲激光产生系统，采用全保偏环形激光谐振腔结构，通过可调多程色散补偿模块与保偏色散补偿模块实现近零净色散管理，并依托计算机系统、系统控制与状态反馈模块、数据处理与通信模块构成的三层电控架构执行上述调控闭环，无需引入偏振控制器即可保持腔内偏振一致性，实现无脉冲状态、单脉冲状态、双脉冲状态、三脉冲状态编码状态的自动、稳定、可重复输出，兼顾近距离高速传输与远距离稳定传输需求。