聚焦光來探索物理系統!超快速雷射求解器,可用於相位恢復問題

2021-01-11 博科園
博科園：本文為光學與光子學

物理學家可以通過開發自旋模擬器、組合優化和通過散射介質聚焦光來探索物理系統，從而快速解決具有挑戰性的計算任務。在一份關於《科學進展》的新報告中，C.Tradonsky和以色列、印度物理系的一組研究人員，通過從分散的強度分布重建物體來解決相位恢復問題。實驗過程解決了從X射線成像到天體物理學等學科中存在的一個問題，這些學科缺乏重建感興趣對象的技術，在這些學科中，科學家通常使用間接迭代算法，這些算法本身就很慢。

在新的光學方法中，物理學家們相反地使用數字簡併腔雷射器(DDCL)模式來快速有效地重建感興趣的對象。實驗結果表明，多個雷射模式之間的增益競爭就像一臺高度並行的計算機，可以快速解決相位恢復問題。該方法適用於具有已知小型支持的二維(2-D)對象和復值對象，以通過散射介質推廣成像，同時完成其他具有挑戰性的計算任務。為了相對容易地計算遠離未知物體散射光的強度分布，研究人員可以計算物體傅立葉變換的絕對值來源。然而，從其散射強度分布重建對象是不適定的，因為相位信息可能丟失。

並且研究中的不同相位分布可能導致不同的重建，因此，科學家必須獲得關於物體形狀、正性、空間對稱性或稀疏性的先驗信息，以便更精確地重建物體。這樣的例子可以在天文學、短脈衝特性研究、X射線衍射、雷達檢測、語音識別和跨混濁介質成像時找到。在有限範圍對象重建過程中，研究人員提供了相位恢復問題的唯一解決方案，只要以足夠高的解析度建模相同散射強度。在過去的十年中，物理學家們開發了幾種算法來解決相位恢復問題，包括Gerchberg-Saxton(GS)誤差減少算法、混合輸入-輸入算法和鬆弛平均交替反射(RAAR)。

然而，基於迭代投影，即使在高性能計算機上也相對較慢，作為一種替代方案，研究團隊可以使用專門定製的物理系統來解決計算挑戰。雖然這樣的系統不是通用的圖靈機(即，它們不能執行任意計算)，但它們可以有效地解決特定類別的問題，與使用傳統的計算機相比，用這樣的系統解決困難問題是有利的。研究實驗證明了一種基於數字簡併腔雷射器(DDCL)快速解決相位恢復問題的新光學系統。該設備結合了兩個約束，包括來自對象的散射光的傅立葉幅值和緊湊的支撐，腔內非線性雷射過程產生了滿足兩個約束的自洽解決方案。

DDCL中潛在的物理機制與光學參量振蕩器(OPO)自旋刺激器觀察到的相似。OPO模擬器和DDCL都通過極快的操作進行了優化，具有避免局部極小值的能力，並且具有非高斯波包。腔內小型支撐孔，以確保雷射相位不同配置導致不同的損耗，能讓具有最小損耗的配置贏得模式競爭並解決相位問題。DDCL系統具有許多吸引人的重要特性，包括提供數百萬個並行實驗實現的高並行性、大約20納秒的短往返時間、快速收斂時間和固有的選擇模式，該模式可將模式競爭造成的損失降至最低。

理論上，在所有時間演化相位配置中，具有最高能量相位相對於有限的增益贏得了模式競爭。因此，實際中初始獨立配置的數量越多，系統找到正確配置穩定且無損失解決方案的概率就越高。在實驗裝置中，包括一個具有固有增益介質的環形簡併腔雷射器，兩個4f望遠鏡和一個振幅空間光調製器(SLM)。該系統還包括腔內孔徑，三維反射鏡和輸出耦合器。研究小組使用左邊的4f望遠鏡將增益介質的中心成像到SLM上，並獨立控制每個像素的傳輸。將腔內孔徑與SLM相結合，以控制並形成輸出雷射強度分布。

當科學家在兩個透鏡之間的傅立葉平面上放置腔內孔徑(緊湊支撐掩模)時，每個相位分布顯示出不同程度的損耗。因此，具有最小損耗的相位分布是本研究中最可能的雷射模式。團隊考慮了兩個品質指標來量化系統的質量，包括解決方案的保真度和計算時間。研究小組獲得了中心對稱物體的代表性結果，其原始(實際物體)和重建形式的強度分布非常一致。

科學家測量了對象複雜性對重建保真度的影響，並形成了具有4個、16個和30個斑點對象的代表性強度分布。結果表明，複雜性較高的對象(具有更多斑點的對象)顯示出更複雜的傅立葉強度分布，具有使用本系統無法解決的複雜細節。還注意到輸入和重建保真度隨著對象複雜性的增加而降低，將其歸因於雷射泵浦的波動技術噪聲。並進行了定性實驗，以評估物體重建過程中緊密性和對稱性的影響。結果表明，小型孔支撐孔徑顯著改善了重建對象質量。然後又研究了小型支撐孔徑的半徑對重建質量和保真度的定量影響。

對於較大的對象，由於雷射不能支持對象形狀，因此代表性強度在重建保真度期間經歷了快速衰減。對於小於小型支撐孔徑的物體，科學家觀察到保真度衰減較慢。總體而言，觀察到當相機在系統內對一個對象的多個實現進行平均時，重建保真度降低。通常，由於雷射腔中的相位像差，重建對象解析度相對較低。研究人員建議優化系統並減少像差以提高解析度。科學家們還分析了使用該系統提供重建解決方案所需的時間，並發現SLM(空間光調製器)和相機讀數持續時間大約為20毫秒，雷射的實際計算時間僅持續不到100納秒。

當研究人員使用帶有口袋電池的Q開關線性簡併腔雷射裝置優化實驗裝置時，將系統的總計算時間減少到大約100納秒，相比之下，RAAR算法的重建時間僅為1秒。以這種方式，C.Tradonsky及其同事提出了一種使用新的DDCL(數字簡併腔雷射器)快速恢復相位的光學系統，計算時間達到100納秒，比傳統基於算法的計算系統快幾個數量級。基於結果，對DDCL系統的幾個修改可以潛在地提高其性能，包括增加雷射腔的長度以增加獨立平行研究的數量，現在研究小組將進一步探索該系統，以解決各種問題，並解決通過散射介質傳播後的成像質量。

博科園｜Copyright Science X Network/Thamarasee Jeewandara,Phys參考期刊《科學進展》DOI: 10.1126/sciadv.aax4530博科園｜科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學

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