science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wanneer AI en opto-elektronica elkaar ontmoeten:onderzoekers nemen controle over lichteigenschappen

Spectro-temporele weergave van femtoseconde pulspatronen, bereid door een fotonische chip om de generatie van supercontinuum te zaaien. De patronen worden geoptimaliseerd via machine learning om gewenste eigenschappen in het output-supercontinuüm te selecteren en te verbeteren. Hier, de pulsen worden gescheiden door 1 picoseconde, en experimenteel gemeten via frequentie-opgeloste optische gating (FROG). Krediet:Benjamin Wetzel

Met behulp van machine learning en een geïntegreerde fotonische chip, onderzoekers van INRS (Canada) en de Universiteit van Sussex (VK) kunnen nu de eigenschappen van breedbandlichtbronnen aanpassen. Ook wel "supercontinuüm" genoemd, deze bronnen vormen de kern van nieuwe beeldvormingstechnologieën en de door de onderzoekers voorgestelde benadering zal meer inzicht verschaffen in fundamentele aspecten van licht-materie-interacties en ultrasnelle niet-lineaire optica. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 20 november, 2018.

In het laboratorium van professor Roberto Morandotti bij INRS, onderzoekers waren in staat om intense ultrakorte pulspatronen te creëren en te manipuleren, die worden gebruikt om een ​​breedband optisch spectrum te genereren. In recente jaren, de ontwikkeling van laserbronnen met intense en ultrakorte laserpulsen - die leidden tot de Nobelprijs voor natuurkunde in 2018 - samen met manieren om lichtvoortplanting ruimtelijk te beperken en te sturen (optische vezels en golfgeleiders) leidden tot optische architecturen met een enorme kracht. Met deze nieuwe systemen een scala aan mogelijkheden ontstaat, zoals het genereren van supercontinua, d.w.z. uitgebreide lichtspectra gegenereerd door intense licht-materie-interacties.

Zulke krachtige en complexe optische systemen, en de bijbehorende processen, vormen momenteel de bouwstenen van wijdverbreide toepassingen, variërend van laserwetenschap en metrologie tot geavanceerde detectie- en biomedische beeldvormingstechnieken. Om de grenzen van deze technologieën te blijven verleggen, meer maatwerk van de lichteigenschappen is nodig. Met dit werk, het internationale onderzoeksteam onthult een praktische en schaalbare oplossing voor dit probleem.

Een ultrakorte puls wordt naar een optische vezel gestuurd en produceert nieuwe frequentiecomponenten via intense licht-materie-interacties. De progressieve spectrale verbreding van de initiële lichtpuls die optreedt tijdens de voortplanting, leidt uiteindelijk tot de vorming van een zogenaamd supercontinuüm. In het voorbeeld hier, dit komt overeen met een "wit licht" bron die, vergelijkbaar met een regenboog, is samengesteld uit alle kleuren die te zien zijn in het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum. Krediet:Benjamin Wetzel

Dr. Benjamin Wetzel (Universiteit van Sussex), hoofdonderzoeker van dit onderzoek onder leiding van Prof. Roberto Morandotti (INRS) en Prof. Marco Peccianti (Universiteit van Sussex), toonde aan dat verschillende patronen van femtoseconde optische pulsen kunnen worden voorbereid en oordeelkundig gemanipuleerd. "We hebben geprofiteerd van de compactheid, stabiliteit en sub-nanometer resolutie aangeboden door geïntegreerde fotonische structuren om herconfigureerbare bundels ultrakorte optische pulsen te genereren, " legt Dr. Wetzel uit. "De exponentiële schaling van de verkregen parameterruimte levert op tot meer dan 10 36 verschillende configuraties van haalbare pulspatronen, meer dan het geschatte aantal sterren in het heelal, " concludeert hij.

Met zo'n groot aantal combinaties om een ​​optisch systeem te zaaien waarvan bekend is dat het zeer gevoelig is voor zijn beginomstandigheden, de onderzoekers hebben zich tot een machine learning-techniek gewend om de uitkomst van lichtmanipulatie te onderzoeken. Vooral, ze hebben aangetoond dat de controle en aanpassing van het uitgangslicht inderdaad efficiënt is, wanneer ze hun systeem en een geschikt algoritme gezamenlijk gebruiken om de veelheid aan beschikbare lichtpulspatronen te verkennen die worden gebruikt om complexe fysieke dynamiek op maat te maken.

Deze opwindende resultaten zullen zowel fundamenteel als toegepast onderzoek op een aantal gebieden beïnvloeden, aangezien een groot deel van de huidige optische systemen afhankelijk zijn van dezelfde fysieke en niet-lineaire effecten als die welke ten grondslag liggen aan het genereren van supercontinuüm. Het werk van het internationale onderzoeksteam zal dus naar verwachting de ontwikkeling van andere slimme optische systemen stimuleren via zelfoptimalisatietechnieken, inclusief de aansturing van optische frequentiekammen (Nobel 2005) voor metrologische toepassingen, zelfinstellende lasers, pulsverwerking en -versterking (Nobel 2018) en de implementatie van meer fundamentele benaderingen van machine learning, zoals fotonische neurale netwerksystemen.