Spektro-temporal representation av femtosekundpulsmönster, framställt av ett fotoniskt chip för att fröa generationen av superkontinuum. Mönstren optimeras via maskininlärning för att välja och förbättra önskade egenskaper i utmatningssuperkontinuum. Här, pulserna separeras med 1 pikosekund, och mäts experimentellt via frekvensupplöst optisk gating (FROG). Upphovsman:Benjamin Wetzel
Med hjälp av maskininlärning och ett integrerat fotoniskt chip, forskare från INRS (Kanada) och University of Sussex (Storbritannien) kan nu anpassa egenskaperna hos bredbandsljuskällor. Även kallad "superkontinuum", dessa källor är kärnan i ny bildteknik och det tillvägagångssätt som forskarna föreslår kommer att ge ytterligare insikt i grundläggande aspekter av ljusmaterialinteraktioner och ultrasnabb olinjär optik. Arbetet publiceras i tidskriften Naturkommunikation den 20 november, 2018.
I professor Roberto Morandottis laboratorium vid INRS, forskare kunde skapa och manipulera intensiva ultrakorte pulsmönster, som används för att generera ett bredbandsoptiskt spektrum. Under de senaste åren har utvecklingen av laserkällor med intensiva och ultrakorte laserpulser - som ledde till Nobelpriset i fysik 2018 - tillsammans med sätt att rymligt begränsa och styra ljusutbredning (optisk fiber och vågledare) gav upphov till optiska arkitekturer med enorm kraft. Med dessa nya system, en rad möjligheter dyker upp, såsom generering av superkontinuor, dvs utökade ljusspektra som genereras genom intensiva ljus-materia-interaktioner.
Sådana kraftfulla och komplexa optiska system, och deras tillhörande processer, utgör för närvarande byggstenarna för utbredda applikationer som spänner från laservetenskap och metrologi till avancerad avkänning och biomedicinsk bildteknik. För att fortsätta pressa gränserna för denna teknik, mer skräddarsydd förmåga för ljusegenskaperna behövs. Med detta arbete, det internationella forskargruppen presenterar en praktisk och skalbar lösning på denna fråga.
En ultrakortpuls skickas in i en optisk fiber och producerar nya frekvenskomponenter via intensiva ljusmaterialinteraktioner. Den progressiva spektralbreddningen av den initiala ljuspulsen som uppstår under förökning, leder i slutändan till bildandet av ett så kallat superkontinuum. I exemplet här, detta motsvarar en "vitt ljus" -källa som, på samma sätt som en regnbåge, består av alla färger som ses i det synliga området i det elektromagnetiska spektrumet. Upphovsman:Benjamin Wetzel
Dr Benjamin Wetzel (University of Sussex), Roberto Morandotti (INRS) och Marco Peccianti (University of Sussex), visat att olika mönster för femtosekunders optiska pulser kan förberedas och manipuleras på ett vettigt sätt. "Vi har utnyttjat kompaktheten, stabilitet och sub-nanometerupplösning som erbjuds av integrerade fotoniska strukturer för att generera omkonfigurerbara grupper av ultrakorta optiska pulser, "förklarar Dr Wetzel." Den exponentiella skalningen av det erhållna parameterutrymmet ger över 10 36 olika konfigurationer av uppnåbara pulsmönster, mer än antalet stjärnor som uppskattas i universum, "avslutar han.
Med ett så stort antal kombinationer för att så ett optiskt system som är känt för att vara mycket känsligt för dess initiala förhållanden, forskarna har använt sig av en maskininlärningsteknik för att utforska resultatet av ljusmanipulation. Särskilt, de har visat att styrningen och anpassningen av utgångsljuset verkligen är effektiv, när de tillsammans använder sitt system och en lämplig algoritm för att utforska mängden tillgängliga ljuspulsmönster som används för att skräddarsy komplex fysisk dynamik.
Dessa spännande resultat kommer att påverka såväl grundläggande som tillämpad forskning inom ett antal områden, eftersom en stor del av de nuvarande optiska systemen är beroende av samma fysiska och olinjära effekter som de som ligger bakom superkontinuumgenerering. Det internationella forskargruppens arbete förväntas således leda till utvecklingen av andra smarta optiska system via självoptimeringstekniker, inklusive styrning av optiska frekvenskammar (Nobel 2005) för metrologiska tillämpningar, självjusterande lasrar, pulsbehandling och förstärkning (Nobel 2018) samt implementering av mer grundläggande metoder för maskininlärning, såsom fotoniska neurala nätverkssystem.
