巨波（Rogue wave）最先发现于海洋之中，是指在平静的海洋中突然产生的巨大波浪。这种极强的波浪极具破坏性，同时由于其很难预测，进一步加剧了其破坏性。除了海洋以外，其也发现于各类复杂系统中，包括金融模型，玻色-爱因斯坦凝聚等，但其不可预测性和巨大的振幅使其难以在实验室中被产生和控制。
光纤系统可以在相对较短的时间内记录大量的数据，为观测巨波现象的动力学行为提供了一个理想的平台。近年来，许多光学系统已经和机器学习技术相结合，用以研究稳态或者重复性事件，例如孤子或者呼吸子。然而，用机器学习来控制巨波仍旧是个挑战，因为其出现的概率小且不可预测。
近期，曾和平教授研究团队采用了一种新的机器学习方法，基于锁模光纤激光器产生了迄今为止最强的光学巨波。该光学系统可以产生比有效波高强33倍的巨波。有效波高（significant wave height）是定义巨波的一个参量，比其强2倍的波被称为巨波。
遗传算法是一种基于自然选择进化原理的机器学习模型，已广泛用于解决非线性光学和其它复杂系统中的搜索和优化问题。该工作中，实时光谱测量数据用作遗传算法的输入项，利用该算法对激光腔内参数进行优化，可以产生强度可控的巨波。该智能控制系统能够产生普通巨波和超级巨波。该工作发现光学系统中的超级巨波和海洋中的巨波更像，因为它们像海洋中的巨波一样，来无影，去无踪。
通过分析机器学习获得的海量光学巨波数据，该工作还揭示了一种产生巨波的新机制-初始脉冲光谱的非对称性。这种不对称会被激光增益不断放大，结合克尔效应最终会导致光谱的一侧边缘演化成高能量的巨波，并最终导致脉冲坍缩。这一动力学过程很好地解释了巨波的形成和湮灭机理。该团队通过基于非线性薛定谔方程的激光动力学数值模拟也进一步证实了这一动力学过程。
该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Laser & Photonics Reviews (2023): 2200470。美国光学学会的“OPTICS & PHOTONICS NEWS”栏目也对该工作进行了报道。
图 1：智能控制光学巨波示意图。
论文链接：Control of Spectral Extreme Events in Ultrafast Fiber Lasers by a Genetic Algorithm
