Einsatz von KI zur Steuerung der Lichteigenschaften | Superkontinuumsgeneration

• Forscher verwendeten einen photonischen Chip und einen KI-Algorithmus, um die Eigenschaften von Breitbandlichtquellen zu konfigurieren.
• Die Technologie wird durch Selbstoptimierungsmethoden bei der Entwicklung verschiedener intelligenter optischer Systeme helfen.

In unserem täglichen Leben verwenden wir mehrere komplexe Systeme, die auf einer Vielzahl von Parametern beruhen, die auf chaotischer Dynamik basieren. In der Photonik fallen viele Systeme in diese Kategorie, einschließlich fortschrittlicher optischer Quellen, die in der Messtechnik, Laserwissenschaft und biomedizinischen Bildgebung verwendet werden.

Um solche Techniken zu verbessern und die Eigenschaften des Lichts effektiv zu kontrollieren, ist es notwendig, die Grenzen der photonischen Methoden weiter zu verschieben. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt versucht, ein Superkontinuum zu erzeugen – ein Breitbandspektrum, das durch einen optischen Impuls erzeugt wird, der sich unter einem kombinierten Effekt von Streuung, Dispersion und Nichtlinearitäten ausbreitet.

Die Entwicklung ultrakurzer und intensiver Laserpulse – die zum Physik-Nobelpreis 2018 führten – zusammen mit Techniken zur räumlichen Begrenzung und Lenkung der Lichtausbreitung führte zu extrem leistungsstarken optischen Architekturen.

Vor kurzem hat ein Forschungsteam am Institut National de la Recherche Scientifique, Kanada, erfolgreich intensive ultrakurze Pulsmuster erzeugt und manipuliert, um ein Superkontinuum zu erzeugen. Sie verwendeten integrierte photonische Strukturen, um rekonfigurierbare Bündel optischer Femtosekunden-Pulse zu erzeugen.

Was genau haben sie verwendet, um ein Superkontinuum zu generieren?

In dieser Arbeit haben Forscher verschiedene Muster ultrakurzer Pulse gezeigt, die kontrolliert manipuliert werden können. Sie nutzten die Stabilität, Kompaktheit und Sub-Nanometer-Auflösung eines integrierten photonischen Systems, um optische Femtosekunden-Impulse zu erzeugen.

Referenz:Naturkommunikation | doi:10.1038/s41467-018-07141-w | INRS 

Sie haben den Parameterraum exponentiell skaliert, was mehr als 10 ³⁶  . ergab verschiedene Kombinationen möglicher Pulsmuster. Für eine so große Anzahl von Kombinationen – größer als die Gesamtzahl der Planeten im Universum – verwendete das Team eine Methode des maschinellen Lernens, um die Ergebnisse der Lichtmanipulation zu analysieren.

Impulse durch eine Pikosekunde getrennt | Mit freundlicher Genehmigung von Benjamin Wetzel

Mit einem geeigneten KI-Algorithmus konnten die Forscher verschiedene Pulsmuster optimieren und die gewünschten Superkontinuumsergebnisse erzielen. Sie haben die spektrale Leistung gemessen und einen genetischen Algorithmus angewendet, um die integrierten Impulsteilerkonfigurationen zu ändern, um die Dynamik der nichtlinearen Faserausbreitung in Richtung auf ein bestimmtes Superkontinuum-Kriterium zu verbessern, z. B. die spektrale Intensität bei bestimmten Wellenlängen zu erhöhen.

Anwendungen

Die Technik ermöglichte es den Forschern, experimentell eine siebenmal höhere Spektraldichte des Superkontinuums zu erhalten als eine Einzelimpulsanregung mit derselben Leistung. Es hat das Potenzial, eine vollständige zeitliche Kontrolle der Superkontinuum-Erzeugung zu ermöglichen. Die fabelhaften Ergebnisse werden die angewandte Forschung in verschiedenen Bereichen beeinflussen.

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Insbesondere wird es bei der Entwicklung anderer intelligenter optischer Strukturen durch Selbstoptimierungsmethoden helfen, darunter Pulsverstärkung, selbstjustierende Laser, optische Frequenzkämme und grundlegende KI-Ansätze wie photonische neuronale Netze.