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Recherches
Algorithmes génétiques pour le pilotage des sources laser et supercontinuum
Deux de nos articles récents ont fait état de résultats prometteurs en utilisant l'apprentissage automatique pour contrôler des sources fibrées. Dans le premier, un algorithme génétique a été utilisé pour optimiser un laser à impulsions Noise LIke Pulse (NLP) à large bande. Les caractéristiques temporelles et spectrales d'un laser NLP dépendent de l'optimisation précise des positions des éléments de polarisation intracavité qui constituent l'absorbeur saturable. Nous avons montré qu'un algorithme génétique peut rapidement localiser les réglages optimaux de 4 éléments de polarisation intracavité pour modifier la fonction de transfert de l'absorbeur saturable afin de générer les largeurs spectrales de 100's de nm. Dans le second article, un algorithme génétique est utilisé pour façonner les propriétés des impulsions d'entrée qui génèrent un supercontinuum à large bande. L'idée est de cibler une amplitude spectrale améliorée dans des gammes de longueurs d'onde particulières, et un algorithme génétique s'avère être un moyen efficace d'y parvenir pour une, voire plusieurs longueurs d'onde comprises entre 1550 et 2000 nm,
Publications
C. Lapre, F. Meng, M. Hary, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley. Genetic algorithm optimization of broadband operation in a noise-like pulse fiber laser. Scientific Reports 13, 1865 (2023).
M. Hary, L. Salmela, P. Ryczkowski, F. Gallazzi, J. M. Dudley, and G. Genty, Tailored supercontinuum generation using genetic algorithm optimized Fourier domain pulse shaping. Optics Letters 48, 4512-4515 (2023).
F. Meng, C. Lapre, C. Billet, T. Sylvestre, J.-M. Merolla, C. Finot, S. K. Turitsyn, G. Genty, J. M. Dudley. Intracavity incoherent supercontinuum dynamics and rogue waves in a broadband dissipative soliton laser. Nature Communications 12, 5567 (2021)
L'apprentissage automatique pour mieux comprendre la fibre optique non linéaire
Nous menons depuis quelques années des études systématiques sur l'utilisation d'algorithmes pour analyser les données afin de construire de nouveaux modèles physiques ou de mieux comprendre la physique de la propagation dans des fibres non linéaires. Nos travaux se sont concentrés sur deux domaines : (i) l'inversion de données de séries temporelles pour découvrir des modèles sous-jacents (ii) l'application de l'analyse des clusters et de l'analyse des composantes principales pour identifier automatiquement les interactions physiques dominantes présentes dans l'instabilité non linéaire et la formation d'ondes scélérates dans les fibres optiques. Nous appliquons initialement ces techniques dans le domaine de la fibre optique non linéaire (un domaine que nous connaissons bien !) mais les techniques sont générales et peuvent être appliquées beaucoup plus largement à d'autres systèmes physiques.
Publications
A. V. Ermolaev, A. Sheveleva, G. Genty, C. Finot, J. M. Dudley, Data-driven model discovery of ideal four-wave mixing in nonlinear fibre optics, Scientific Reports 12, 12711 (2022).
A. V. Ermolaev, M. Mabed, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley, Analysis of interaction dynamics and rogue wave localization in modulation instability using data-driven dominant balance, Scientific Reports 13, 10462 (2023).
Cinquante ans de solitons dans les fibres optiques
En août 1834, l'ingénieur écossais John Scott Russell a assisté à un spectacle extraordinaire sur le canal de l'Union, près d'Édimbourg. Alors qu'il étudiait l'influence de la conception de la coque sur la vitesse des péniches, il a observé ce qu'il a appelé une "grande vague solitaire" qui s'est propagée sur des kilomètres sans s'étendre. Nous savons aujourd'hui qu'une propagation aussi stable nécessite un équilibre précis entre les effets linéaires et non linéaires, et l'étude de ces ondes solitaires, ou solitons, est devenue essentielle dans le domaine des sciences non linéaires. Les solitons en optique ont été observés pour la première fois au début des années 1960, dans le cadre du piégeage spatial et de la filamentation observés lorsque le laser nouvellement inventé était focalisé sur des diélectriques et d'autres milieux.
Puis, en 1973, Akira Hasegawa et Fred Tappert ont montré que la NLSE 1D décrivait la propagation des impulsions dans les fibres optiques. Ils ont prédit l'existence de solitons temporels stables qui pourraient être utilisés pour les communications optiques. Dans cet article publié dans le magazine phare d'Optica, Optics & Photonics News, nous célébrons le 50e anniversaire des travaux pionniers de Hasegawa et Tappert avec un compte rendu de leurs propriétés et de leur impact, y compris une mention de nos propres travaux dans ce domaine. Notre article a même fait la couverture !
Publications
J. M. Dudley, C. Finot, G. Genty, R. Taylor. Fifty Years of Fiber Solitons. Optics and Photonics News 34(5) 26-33 (2023)
B. Kibler, J. M. Dudley, C. Finot. Pioneering Experiments on Optical Solitons in Fibres. Photoniques 122 41-45 (2023)
Intelligence artificielle en photonique ultrarapide
Depuis plusieurs années, je travaille sur l'utilisation de techniques d'apprentissage automatique dans le domaine particulier de la photonique non linéaire ultrarapide, à la fois pour l'amélioration pratique des sources laser à large bande et pour des études plus fondamentales des systèmes physiques, visant à utiliser l'analyse algorthimique des données pour déterminer de nouveaux modèles physiques et pour identifier les interactions physiques dominantes. Ce travail a impliqué l'utilisation d'une gamme d'outils standards d'apprentissage automatique tels que les réseaux neuronaux feedforward et récurrents, la régression éparse et la recherche de clusters multidimensionnels.
Publications
G. Genty, L. Salmela, J. M. Dudley et al. Machine learning and applications in ultrafast photonics, Nature Photonics 183, 91-101 (2021)
A. V. Ermolaev, A. Sheveleva, G. Genty, C. Finot, J. M. Dudley, Data-driven model discovery of ideal four-wave mixing in nonlinear fibre optics, Scientific Reports 12, 12711 (2022).
C. Lapre, F. Meng, M. Hary, C. Finot, G. Genty & J. M. Dudley. Genetic algorithm optimization of broadband operation in a noise-like pulse fiber laser. Scientific Reports 13, 1865 (2023)
Développement des sources, instabilités, caractérisation et commande
J'étudie les lasers ultrarapides depuis mon doctorat, et la riche dynamique de la physique des lasers continue de me fasciner. Le développement récent de techniques avancées de mesure des impulsions, telles que la transformée de Fourier dispersive et la lentille temporelle, offre des possibilités de caractérisation dont on ne pouvait que rêver il y a vingt ans. La possibilité d'effectuer une caractérisation spectrale et temporelle en temps réel a ouvert de nouvelles possibilités d'étudier directement les origines fondamentales de l'accumulation et de l'instabilité des lasers ultrarapides. Mon travail dans ce domaine s'est d'abord concentré sur l'étude du bruit du supercontinuum et des corrélations spectrales, mais il s'est récemment étendu à l'exploration de questions ouvertes sur la dynamique des lasers à verrouillage de mode. En fait, bien que la dynamique des lasers à verrouillage de mode ait été étudiée depuis les tout premiers jours de la physique des lasers, il reste des questions ouvertes importantes et fondamentales concernant le fonctionnement et la physique des lasers à solitons dissipatifs, lorsque le fonctionnement du laser est régi non seulement par le gain et la perte, mais aussi par la dispersion et la non-linéarité, et parfois par un filtrage spectral hautement dissipatif. Dans le même temps, la disponibilité d'outils pratiques d'apprentissage automatique ouvre des approches entièrement nouvelles et potentiellement révolutionnaires pour l'analyse et le contrôle du fonctionnement des lasers à impulsions et de la propagation non linéaire.
Publications
P. Ryczkowski, M. Närhi, C. Billet, J.-M. Merolla, G. Genty, J. M. Dudley, Real-time full-field characterization of transient dissipative soliton dynamics in a mode-locked laser, arXiv:1706.08571, Nature Photonics 12, 221-227 (2018).
M. Närhi, L. Salmela, J. Toivonen, C. Billet, J. M. Dudley, G. Genty, Machine learning analysis of extreme events in optical fibre modulation instability, Nature Communications 9 4923 (2018)
C. Lapre, C. Billet, F. Meng, P. Ryczkowski, T. Sylvestre, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley, Real-time characterization of spectral instabilities in a mode-locked fibre laser exhibiting soliton-similariton dynamics, Scientific Reports 9, 13950 (2019)
L. Salmela, C. Lapre, J. M. Dudley, G. Genty, Machine learning analysis of rogue solitons in supercontinuum generation, Scientific Reports 10, 9596 (2020)
F. Meng, J. M. Dudley, Toward a self-driving ultrafast fiber laser, Light: Science and Applications 9 26 (2020)
M. Mabed, F. Meng, L. Salmela, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley. Machine learning analysis of instabilities in noise-like pulse lasers. Optics Express 30, 15060-15072 (2022)
M. Mabed, L. Salmela, A. Ermolaev, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley. Neural network analysis of unstable temporal intensity peaks in continuous wave modulation instability. Optics Communications 541, 129570 (2023)
Le Supercontinuum
Depuis 2000, l'un des principaux domaines de ma recherche est l'étude de la propagation non linéaire et de la génération de supercontinuum dans les fibres à cristaux photoniques (PCF) hautement non linéaires. Les principaux résultats comprennent : la première démonstration de la génération d'un supercontinuum dans une PCF dans le régime nanoseconde en utilisant un système laser compact à puce ; la modélisation numérique détaillée de la propagation des impulsions et de la génération d'un supercontinuum dans une PCF dans les régimes nanoseconde et femtoseconde ; la définition d'une mesure quantitative de la cohérence spectrale ; l'utilisation de la représentation du spectrogramme pour interpréter physiquement la dynamique complexe. En 2006, j'ai co-écrit la première revue majeure du domaine de la génération de supercontinuum en PCF, mais il convient de noter que cet article est bien plus qu'une simple compilation des résultats publiés ; nous avons réalisé des études numériques originales afin d'illustrer des caractéristiques précédemment inconnues de la dynamique, et pour aider à la conception expérimentale. En 2010, j'ai coédité un livre contenant une sélection d'articles rédigés par des experts qui ont mis à jour l'état de l'art en matière de supercontinuum. Je travaille actuellement à l'extension du supercontinuum dans l'infrarouge moyen.
Publications
J. M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber,
Reviews of Modern Physics 78 1135-1184 (2006)
J. M. Dudley and J. R. Taylor, Ten years of nonlinear optics in photonic crystal fibre: progress and perspectives,
Nature Photonics 3 85-90 (2009)
J. M. Dudley and J. R. Taylor (Eds) Supercontinuum Generation in Optical Fiber, Cambridge University Press, 400 pages, ISBN 978-0521514804 (2010)
E. Genier, P. Bowen, T. Sylvestre, J. M. Dudley, P. Moselund, O. Bang, Amplitude noise and coherence degradation of femtosecond supercontinuum generation in all-normal-dispersion fibers, Journal of the Optical Society of America B, 36 A161-167 (2019)
T. Sylvestre, E. Genier, A. N. Ghosh, P. Bowen, G. Genty, J. Troles, A. Mussot, A. C. Peacock, M. Klimczak, A. M. Heidt, J. C. Travers, O. Bang, J. M. Dudley, Recent advances in supercontinuum generation in specialty optical fibers, Journal of the Optical Society of America B, 38 F90-F103 (2021)
Les ondes scélérates
The importance of the supercontinuum as a technological light source motivated intense interest into its noise and stability properties which subsequently opened up a new field of research into optical rogue waves. The idea here is that the instabilities observed on a light wave propagating in an optical medium are analogous to those that drive the emergence of giant waves on the surface of the ocean. My work here has been carried out in the frame of an ANR grant MANUREVA and an ERC Advanced Co-Investigator Grant MULTIWAVE (with F Dias from UCD Dublin) where the aim was to study potential analogies between ocean waves and light waves carefully and in detail. We took our time with MULTIWAVE to do things properly, as when we began our work there were all sorts of papers being rushed into print proposing analogies between ocean waves and optics in systems where no such analogy existed. We like to think that the work in MULTIWAVE has led to some structure being introduced into this field. MULTIWAVE completed in 2016, but our work led to a number of significant results in the field of optical rogue waves, some of which were summarised in a 2014 paper paper in Nature Photonics. I am currently working on developing new measurement techniques to provide new insights into the complex optical rogue wave dynamics, as well as to explore some new approaches to developing an even better understanding of the underlying physics. Some key publications are listed below, including a significant 2019 review paper in Nature Reviews Physics that highlights the state of the art of rogue wave research in both oceanography and optics. I am currently using machine learning methods
to gain further insights into the physics of rogue wave emergence.
Publications
B. Kibler, J. Fatome, C. Finot, G. Millot, F. Dias, G. Genty, N. Akhmediev, J. M. Dudley. The Peregrine soliton in nonlinear fibre optics Nature Physics 6, 790–795 (2010)
J. M. Dudley, F. Dias, M. Erkintalo, G. Genty, Instabilities, Breathers and Rogue Waves in Optics. Nature Photonics 8, 755-764 (2014) andarxiv.org/pdf/1410.3071
J. M. Dudley, G. Genty, A. Mussot, A. Chabchoub, F. Dias, Rogue waves and analogies in optics and oceanography, Nature Reviews Physics 1 675-689 (2019) and on arXiv (2019)
A. V. Ermolaev, M. Mabed, C. Finot, G. Genty, J. M. Dudley, Analysis of interaction dynamics and rogue wave localization in modulation instability using data-driven dominant balance, Scientific Reports 13, 10462 (2023)
Faisceaux non-diffractants et accélérants, autres sujets
Je m'intéresse depuis longtemps aux phénomènes ultrarapides en optique et j'ai travaillé dans des domaines tels que le développement de sources picosecondes et femtosecondes et de techniques de mesure ultrarapides (y compris le gating optique résolu en fréquence FROG). L'une des principales réalisations en matière de développement de sources a été la codécouverte du régime de "similarité" de la propagation des impulsions par fibre optique (un mot que j'ai à la fois inventé et blâmé !), qui a utilisé des techniques puissantes des mathématiques de l'auto-similarité dans les systèmes non linéaires pour décrire un régime particulier de propagation des amplificateurs à fibre qui a permis d'augmenter la puissance des amplificateurs à fibre pulsée à de nouveaux niveaux. Des travaux plus récents dans ce domaine à FEMTO-ST ont soutenu les expériences fantastiques menées par mon collègue François Courvoisier (dans le cadre d'une bourse de consolidation de l'ERC) pour développer des degrés de liberté uniques et nouveaux pour l'ablation par laser femtoseconde et le traitement des matériaux grâce à l'utilisation de structures de faisceau dites "non diffractantes" ou " accélérantes ".
Publications
J. M. Dudley, C. Finot, D. J. Richardson, G, Millot
Self Similarity in Ultrafast Nonlinear Optics Nature Physics 3 597-603 (2007).
A. Mathis, L. Froehly, S. Toenger, F. Dias, G. Genty, J. M. Dudley, Caustics and Rogue Waves in an Optical Sea, Scientific Reports 5, Article number: 12822 10.1038/srep12822 (2015)
P. Ryczkowski, M. Barbier, A. T. Friberg, J. M. Dudley, G. Genty, Ghost imaging in the time domain
Nature Photonics 10, 167-170 (2016)
L. Froehly, F. Courvoisier, D. Brunner, L. Larger, F. Devaux, E. Lantz, J. M. Dudley, M. Jacquot, Advancing Fourier: space–time concepts in ultrafast optics, imaging, and photonic neural networks, Journal of the Optical Society of America A 36, C69-C77 (2019)