Лазерный мир

Что такое структурированный свет и почему он может пригодиться не только ученым

Человек с помощью зрения получает более 80% информации. Глаза человека — одни из самых чувствительных и важных органов. Однако поток получаемой нами информации существенно зависит от того, сколько света (фотонов) мы обнаруживаем с помощью глаз.

На мгновение вспомните себя в комнате с выключенным освещением ночью и сравните с тем, что вы видите в помещении, залитом дневным солнечным светом. Рассеянное излучение помогает нам видеть и не только качественно различать предметы, но и замечать мельчайшие детали и узоры. А с использованием современных методов оптической микроскопии ученые уже давно научились получать изображения объектов с пространственным разрешением, составляющим примерно половину длины волны света (около 250 нанометров).

Фотоника уже давно в нашей повседневной жизни

Оказывается, еще больше информации об окружающем мире мы можем получать, используя направленное монохроматическое лазерное излучение в комбинации с методами спектроскопии, которые незаметно вышли за пределы научных лабораторий и получили распространение в нашей жизни. Например, методы комбинационного рассеяния света позволяют нам быстро и с хорошей точностью идентифицировать состав вещества. Дело в том, что при измерении спектра каждая составляющая (вплоть до отдельных атомов и молекул) исследуемого образца обладает уникальным откликом — «отпечатком», по которому ученые научились различать вещества. Интенсивность такого отклика позволяет сделать вывод об относительной концентрации конкретного вещества в составе. Этот принцип используется в работе портативных анализаторов и тестеров, позволяющих качественно оценить наличие, например, нитратов во фруктах и овощах.

Другим всем известным примером получения и передачи информации с помощью света являются телекоммуникации, где распространяющийся по оптическому волокну свет на длине волны 1550 нанометров позволяет нам кодировать и передавать информацию на огромные расстояния. Также примером контролируемого использования света в повседневной жизни являются современные системы освещения в автомобилях. Автоматическое управление световыми пучками в пространстве позволяет водителю автомобиля с матричными фарами лучше контролировать обстановку на дороге.

Таким образом, структурирование света помогает нам выделить (подсветить) только те области пространства, которые представляют для нас интерес.

Пространственная модуляция света, оптические решетки и симуляторы

Один из методов познания окружающего мира — это эксперимент. Однако нередко проведение измерений даже в лабораториях становится невозможным из-за дороговизны, невозможности физической реализации условий эксперимента и других причин. Тогда ученые пытаются заменить исследуемую систему искусственной — такой, которой они бы могли управлять с нужной точностью и характеризовать ее в зависимости от условий.

Пример такой системы — искусственные решетки. Такие периодические структуры, собранные из определенных частиц (или квазичастиц), могут служить эквивалентом атомов в кристалле. Изучая, например, поведение холодных атомов в периодических искусственных решетках, создаваемых с помощью структурированного лазерного излучения, исследователи могут симулировать различные физические модели, уточнять наиболее значимые физические механизмы для исследуемой системы и т. д. Программируемые физические системы, позволяющие получить новые знания о другом объекте или физическом явлении с помощью правильно заданных начальных условий и механизмов, называются симуляторами.

Иными словами, ученые пытаются заставить одну физическую платформу, с которой они умеют работать, эволюционировать по физическим законам второй системы. Измеряя параметры искусственной системы в симуляторе в зависимости от заданных пользователем условий, можно получить ответы на фундаментальные вопросы и не только. Дело в том, что в последние годы бурно развивается деятельность по применению физических платформ-симуляторов для решения узконаправленного класса практических задач. Как правило, речь идет о решении сложных многопараметрических задач оптимизации, сложность которых нелинейно возрастает при увеличении значимых параметров. С такими задачами человек сталкивается постоянно — это задачи диспетчеризации, составления расписаний, планирования поставок сырья и запчастей на предприятия, оптимизации сборки сложных технических устройств, дизайна микросхем и т. д.

Оказывается, что с помощью структурированного света, например лазерного излучения, можно не только передавать больше информации в пространстве, но и создавать контролируемые искусственные оптические решетки, используемые в платформах-симуляторах. Излучение типичного лазерного источника является монохроматическим (то есть определенного цвета) с гауссовым распределением интенсивности, похожим на колокол (где интенсивность света максимальна в центре пучка и уменьшается к краю). Чтобы преобразовать такое первоначальное излучение в структурированное с желаемым профилем интенсивности, например в виде кольца или квадрата, необходимо пропустить его через специальный прибор — пространственный модулятор света.

Сейчас есть два основных класса таких устройств: амплитудные и фазовые. Первые представляют собой двумерный массив микроскопических зеркал со стороной размером несколько микрометров. Каждое такое зеркало может занимать всего два положения. В первом положении поверхности всех зеркал формируют единую плоскость. Во втором положении зеркало отклоняется на фиксированный угол, чтобы отразить в сторону часть падающего лазерного пучка. Таким образом, если все зеркала будут ориентированы в первое положение, то лазерный луч будет полностью и без изменений отражаться от поверхности амплитудного модулятора. Если же часть пикселей будет запрограммирована пользователем во втором положении, то отдельные микрозеркала будут отклонять падающие на них участки лазерного луча в сторону.

Такой подход сравним с аппликацией: пиксели модулятора во втором положении «отсекают все лишнее» от лазерного луча, тем самым формируя требуемое распределение интенсивности после прохождения модулятора. Для получения желаемого распределения интенсивности на модулятор необходимо просто загрузить изображение. В ранних версиях таких устройств не было возможности использовать градиенты серого, то есть модулятор мог формировать распределения интенсивности только с двумя уровнями: 0 или 1. В более поздних моделях была реализована возможность отображения промежуточных уровней с помощью широтно-импульсной модуляции.

Сейчас область применения амплитудных модуляторов света не сводится только к научным исследованиям. Эти устройства нашли свое применение в проекторах, обработке материалов и в медицинских оптических томографах, выпускающихся серийно. Также ведутся разработки AR/VR-устройств на основе амплитудных модуляторов.

Если принцип действия амплитудных модуляторов основан на явлении локального отражения света от миниатюрных зеркал, то фазовые модуляторы позволяют управлять распространением света, воздействуя на его фазу. Принцип работы фазовых модуляторов напоминает сильно уменьшенные экраны смартфонов или телевизоров: управляя напряжением на каждом крошечном элементе (пикселе), можно менять ориентацию специальных молекул жидких кристаллов, что локально изменяет поведение света, проходящего через этот участок.

В отличие от ЖК-дисплея в пространственном модуляторе поворот пикселей приводит не к изменению поляризации света, проходящего через пиксель, а к изменению эффективного показателя преломления внутри пикселя — это открывает возможность контролировать фазу оптической волны после прохождения модулятора света на масштабе нескольких микрометров (типичный размер пикселя фазового модулятора составляет 4–20 мкм).

Основной особенностью данного модулятора является возможность его программирования для работы в качестве любого оптического элемента с заданными параметрами, будь то цилиндрическая или сферическая линзы, одно- или двумерная дифракционная решетка, элемент для коррекции астигматизма и других аберраций, а также как комбинация нескольких перечисленных выше элементов. Как и в случае с амплитудными модуляторами, фазовые также могут преобразовывать исходное гауссово пространственное распределение интенсивности лазерного луча в желаемое. Однако поскольку этот тип модуляторов перераспределяет локальное направление распространения пучка (в отличие от амплитудного, работающего как «оптический трафарет», селективно пропускающий лазерный луч), фазовый модулятор программируется иначе: для расчетов используются методы Фурье-анализа и цифровой голографии, что несколько усложняет работу с ними. Хотя фазовые модуляторы света активно используются для исследований в области оптики, пока они слабо представлены в качестве узлов серийно выпускающихся устройств. Однако есть ряд разработок AR/VR-устройств на базе и этого типа модуляторов.

Если говорить о достоинствах и недостатках двух типов устройств, то фазовые модуляторы имеют более высокую предельную эффективность пространственного преобразования лазерного излучения, которая напрямую не зависит от желаемого распределения интенсивности. Также к их плюсам можно отнести возможность работы в качестве программируемого оптического элемента с переменными параметрами. К достоинствам амплитудных модуляторов можно отнести более высокие частоты обновления (десятки килогерцев против сотен герцев у фазовых), а также более простые алгоритмы работы.

С помощью фазового пространственного модулятора света на основе жидких кристаллов научный коллектив лаборатории гибридной фотоники в «Сколтехе» научился создавать перестраиваемые оптические решетки в самых различных геометриях. Ученые «Сколтеха» под руководством профессора Павлоса Лагудакиса разработали систему для цифровой голографии, которая может быть использована как для фундаментальных исследований, включающих технологию «оптической печати», разработку аналоговых симуляторов и устройств-оптимизаторов, так и для ряда практических приложений, таких как оптические пинцеты, метрология, оптические линии связи в свободном пространстве и лидары. В рамках деятельности лаборатории разработки используются для изучения новых гибридных состояний света и вещества, называемых экситон-поляритонами. С момента открытия лаборатории в 2016 году коллективом были опубликованы работы в самых престижных научных журналах (Nature, Science Advances, Physical Review Letters и др.), а также получены патенты РФ на изобретение.

Оптические вычисления

Оптические вычисления стали священным Граалем обработки информации с момента изобретения компактных полупроводниковых лазеров. Такие лазеры, размещенные на печатной плате, позволили передавать данные от одной печатной платы до другой по гибкому оптическому волокну, ключевым преимуществом которого является невосприимчивость к электромагнитным наводкам. Оптическое волокно и металлический провод являются, по сути, волноводами для электромагнитных волн. Главное отличие — в частоте волн, которые легко распространяются в среде, из которой выполнен волновод. Так, для оптической передачи используют стеклянные волокна, прозрачные для частоты 200 ТГц, и это позволяет значительно увеличить скорость передачи данных по сравнению с передачей данных по медным кабелям, полоса пропускания которых ограничена частотой 100 МГц из-за свойств металлов.

Это ускорение тем не менее не дается даром. Волны большей частоты несут большую энергию, и для их возбуждения необходимо использовать переходы между состояниями атомов с большей разницей энергии. Это значит, что полупроводниковый лазер, передающий данные в оптоволокно, потребляет больше энергии, чем транзистор, передающий данные по медному проводнику. В случае с передачей данных на большие расстояния такая расточительность оправданна, однако заменять медные проводники на оптические волокна на материнской плате компьютера нецелесообразно. По крайней мере пока частота работы вычислительных устройств лежит в гигагерцевом диапазоне.

Именно преодоление гигагерцевого предела электроники заставляет исследователей искать возможность заменить электроны в вычислительных устройствах фотонами. Пожалуй, наиболее близкой к индустриальному применению является технология фотонных интегральных схем. Под этим названием понимают семейство технологий, которые используют техпроцессы, отлаженные в электронике, для производства микросхем с оптическими волноводами, в которых используется нелинейное взаимодействие света и вещества для реализации вычислений. Поскольку лазерные диоды могут быть исполнены в составе чипа, то технология фотонных интегральных схем может послужить промежуточным этапом перехода к фотонным вычислениям. Действительно, упаковка в один чип источников света, волноводов и элементов обработки данных позволяет разместить такой чип на печатной плате, создавая на первых порах гибридные устройства электронно-фотонных вычислений.

Но такая технология фотонных вычислений сохраняет недостатки обычных электронных устройств, такие как необходимость планарной архитектуры. Одним из ключевых преимуществ фотонных вычислений является пониженное тепловыделение, благодаря которому ожидается возможность масштабирования вычислительных устройств в трех измерениях. Полноценное масштабирование электронных устройств затруднительно в силу того, что количество тепла, выделяемого трехмерным устройством, растет кубически от линейного размера, однако площадь поверхности, с которой возможен теплоотвод, растет лишь квадратично.

Для использования трех измерений в оптических вычислениях необходима разработка новых голографических технологий. Так же как фотонные интегральные схемы, трехмерные оптические вычисления, вероятно, должны будут пройти этап гибридных электрон-фотонных устройств. Учитывая все преимущества и недостатки оптических вычислителей, скорее всего, они не станут полноценной заменой классических компьютеров, однако вполне подходят на роль сопроцессоров для эффективного решения конкретных вычислительных задач.

Сегодня компьютерные голограммы используют для быстрого перемножения матриц на вектора. Эта задача реализована в параллельных вычислениях, производимых на видеокартах, и составляет основу современных технологий искусственного интеллекта и машинного зрения.

Для полного раскрытия потенциала голографических вычислений этой технологии необходимо пройти еще долгий путь. И, может быть, главным вопросом на этом пути будет проблема обоснования необходимости работы вычислительного устройства на частотах выше 1 ТГц. Действительно, работа человеческого мозга, например, в своей основе имеет химические реакции, скорость которых позволяет сигналам распространяться в лучшем случае микросекунды. Таким образом, кажется, что частота работы мозга едва ли превышает 1 МГц, хотя, возможно, исследователи мозга с нами поспорят. Это, однако, не мешает людям решать задачи, недоступные сегодня лучшему искусственному интеллекту.

Оптические вычисления, как бы они в итоге ни были реализованы, однажды могут повторить эффект перехода от ламп накаливания к светодиодным, существенно сократившим наши затраты электроэнергии на освещение. Но для того, чтобы они заняли свое место в ряду технологий, которые мы используем ежедневно, оптические вычислители должны пройти полный цикл развития: от лабораторных прототипов до серийных устройств. На данный момент мы находимся в начале этого пути, и совсем неочевидно, какой подход первым приведет нас к желаемому результату. По этой причине мы должны развивать все перспективные подходы, среди которых оказались технологии с использованием структурированного света, вызывающие интерес не только у исследователей, но и у представителей индустрии.

Сергей Аляткин, к.ф.-м.н., заместитель руководителя Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха;

Кирилл Ситник, к.ф.-м.н., младший научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха;

Филипп Григорьев, к.ф.-м.н., научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха

Источник: https://www.kommersant.ru/doc/7794893