Durante décadas, los láseres se han diseñado y operado en gran medida utilizando técnicas que no han evolucionado mucho desde la creación del láser hace 60 años. Recientemente, científicos han encontrado formas de combinar los últimos avances en fotónica ultrarrápida con inteligencia artificial y aprendizaje automático. Los resultados ayudan a otros investigadores a explotar todo el potencial de la IA para aplicaciones láser ultrarrápidas.
Un grupo internacional de científicos publicó hace unas semanas en la prestigiosa revista Nature Photonics un artículo de revisión que proporciona una descripción general completa de cómo la Inteligencia Artificial y los métodos asociados pueden aplicarse para mejorar los desarrollos en las fuentes láser de próxima generación y revolucionar las aplicaciones donde la luz ultrarrápida juega un papel central.
El láser ha sido uno de los inventos definitorios del siglo XX. No solo ha creado un campo de investigación y ciencia completamente nueva, sino que también ha llevado al desarrollo de fuentes de luz que producen pulsos potentes y ultracortos que se utilizan en muchas áreas de nuestra vida cotidiana, como tratamientos médicos, imágenes biológicas, comunicaciones, industria, fabricación o entretenimientos.
“Sin embargo, quizás sorprendentemente, los láseres ultrarrápidos se diseñan y operan en gran medida utilizando técnicas que no han evolucionado mucho desde que se desarrollaron hace décadas. Esto, naturalmente, ha llevado a compensaciones de rendimiento y limitaciones para aplicaciones emergentes con especificaciones cada vez más exigentes que a menudo requieren luz con características adaptadas con precisión”, explica Goëry Genty , profesor de fotónica ultrarrápida en la Universidad de Tampere y director de la Academia de Finlandia en investigación y fotónica.
Recientemente ha aparecido una nueva vía para superar este cuello de botella combinando los últimos avances en fotónica ultrarrápida con las poderosas herramientas de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático. La inteligencia artificial es ahora omnipresente en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería y se emplea comúnmente en muchas aplicaciones, desde el reconocimiento de texto y voz hasta la atención médica, el transporte, la fabricación y la publicidad.
“Debido a que no está claro cómo se puede utilizar mejor, para impulsar la investigación futura, la aplicación de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático a la fotónica ultrarrápida para el control de sistemas láser complejos y la generación de luz personalizada aún no ha alcanzado su máximo potencial. Nuestro equipo de colaboradores internacionales ha abordado ahora este problema y ha resumido los diferentes enfoques de aprendizaje automático que se pueden aplicar al estudio y control de sistemas fotónicos ultrarrápidos”, afirma Genty.
Una característica única de la revisión es una serie de elementos tutoriales dirigidos específicamente a estudiantes y no especialistas.
“Nuestro objetivo es hacer que la revisión sea accesible a lectores que no son expertos en el campo y brindarles los conceptos básicos del aprendizaje automático para aplicaciones fotónicas ultrarrápidas. La revisión se divide esencialmente en dos secciones sobre diseño y optimización láser por un lado, y el estudio y control de la dinámica ultrarrápida por otro. Para cada caso, hemos intentado explicar cómo se pueden aplicar las técnicas de aprendizaje automático en casos prácticos de intereses, el beneficio que pueden aportar y las direcciones de investigación futuras. También hemos incluido elementos tutoriales sobre los diferentes algoritmos utilizados en el aprendizaje automático, así como algunas pautas generales sobre cómo usarlos, lo que debería permitir a los investigadores que no están particularmente familiarizados con el aprendizaje automático tener un inicio rápido ”, explica el profesor Genty.
El profesor Goëry Genty y los demás autores del artículo son pioneros reconocidos en diversos campos de la dinámica no lineal y la óptica ultrarrápida. Su objetivo es proporcionar una hoja de ruta para la investigación futura.
“Creemos que el aprendizaje automático puede desempeñar un papel importante en la próxima generación de fuentes láser. Al hacerlo accesible a una amplia audiencia, nuestro trabajo puede estimular a los investigadores a explotar todo el potencial de la inteligencia artificial para la fotónica ultrarrápida y sus múltiples aplicaciones”, añade Goëry Genty.
Imagen de portada (Tampere University): Impresión artística del control de la luz láser ultrarrápida controlada por inteligencia artificial. La figura muestra cómo las propiedades de un campo incidente son controladas por una red neuronal buscando mínimos de optimización en un espacio multidimensional complejo. En última instancia, el concepto podría producir rayos láser con características bajo demanda.
Machine learning and applications in ultrafast photonics, Goëry Genty1, Lauri Salmela1, John M. Dudley2, Daniel Brunner2, Alexey Kokhanovskiy3, Sergei Kobtsev3,and Sergei K. Turitsyn.3,4 Nature Photonics (2020) DOI 10.1038/s41566-020-00716-4
- Laboratory of Photonics, Tampere University, Tampere, Finland.
- Institut FEMTO-ST, Université Bourgogne Franche-Comté CNRS UMR 6174, Besançon, France.
- Division of Laser Physics & Innovative Technologies, Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia.
- Aston Institute of Photonic Technologies, Aston University, Birmingham, UK
