Publication: Optimización eficiente de procesos de interacción láser-materia mediante conformación temporal de pulsos ultracortos
Loading...
Identifiers
Publication date
2014-07
Defense date
2014-07-03
Authors
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Export
Abstract
La interacción de pulsos láser ultracortos en el rango de los femtosegundos con medios
materiales da lugar a una amplia variedad de fenómenos de naturaleza no lineal.
Dichos efectos dependen de la potencia de pico del pulso y, por ende, de su estructura
temporal. Mediante la utilización de métodos experimentales es posible manipular las
componentes espectrales del pulso y sintetizar estructuras temporales de complejidad
arbitraria. De esta forma es posible modificar el resultado de la interacción.
En el ámbito de esta tesis se ha utilizado como herramienta de conformación
temporal del pulso ultracorto un sintetizador de pulsos basado en una configuración
del tipo 4f con un modulador espacial de luz (SLM) ubicado en el plano de Fourier
del sistema. El modulador posee un elevado número de parámetros de control (320
pixeles) que son utilizados para modificar la fase espectral del pulso ultracorto.
Encontrar el perfil temporal óptimo para que el pulso genere o maximice un determinado
efecto, sin conocimiento suficiente de la dinámica en la interacción no lineal,
hace necesario utilizar un bucle de aprendizaje para resolver el problema. En el mismo,
un algoritmo de optimización controla el funcionamiento del SLM, usando como retroalimentación la evaluación una medida del efecto de interacción no lineal inducido por
el pulso sintetizado. Los algoritmos m´as utilizados en este escenario, compuesto por
un elevado número de variables de control que condicionan una interacción no-lineal
con mecanismos subyacentes desconocidos, no modelizados o no modelizables, son los
algoritmos evolutivos. Estos últimos son algoritmos estocásticos basados en poblaciones
y requieren, por regla general, un elevado número de evaluaciones para alcanzar
la convergencia. En los casos en los que la cantidad de recursos existentes es limitada,
como puede ser el tiempo de vida en biomuestras fotosensibles o la cantidad de
muestra disponible en experimentos de modificación estructural inducida por absorción multifotónica, la aplicación de algoritmos evolutivos puede resultar inviable. Ello
hace necesario la utilización de algoritmos eficaces que permitan minimizar el número
de evaluaciones requeridas. Atendiendo a determinadas consideraciones topológicas derivadas de estudios de teoría de control cuántico, hemos diseñado un nuevo algoritmo
de optimización determinista que hace uso de optimización marginal de la fase en
el dominio de la frecuencia. Dicho algoritmo, denominado Multiple One-Dimensional
Search (MODS), presenta una elevada velocidad de convergencia y ha sido validado
experimentalmente en interacciones no lineales en sólidos (generación de efecto Kerr
y absorción multifotónica), gases (optimización de alineamiento molecular de N2 atmosférico) y en la nano-escala (optimización de la generación de segundo armónico en
nanocristales de BaT iO3). Los resultados obtenidos muestran que MODS supone una
alternativa real y eficaz frente a la utilización de algoritmos evolutivos en este tipo de
problemas. De forma adicional se ha comprobado la viabilidad del uso de Differential
Evolution (DE), un algoritmo evolutivo especialmente eficiente en la optimización de
problemas no lineales con elevado número de variables de control y especialmente robusto frente al ruido experimental. Este algoritmo no se había analizado anteriormente
en este tipo de problemas de forma sistemática. El desempeño y robustez de
ambos algoritmos, MODS y DE, han sido testados frente al estándar habitual en este
tipo de problemas, un algoritmo genético (GA). Los resultados permiten concluir que
tanto DE como MODS superan el rendimiento de los GA en este tipo de problemas,
siendo MODS ´ordenes eficiente en cuanto al número de evaluaciones requerida para
la convergencia y DE más robusto frente al ruido experimental.
Description
Keywords
Interacción láser-materia, Pulsos ultracortos, Optimización, Algoritmos evolutivos