发布日期 2019-12-23

聚焦光来探索物理系统!超快速激光求解器,可用于相位恢复问题

原标题:聚焦光来探索物理系统!超快速激光求解器,可用于相位恢复问题

物理学家可以通过开发自旋模拟器、组合优化和通过散射介质聚焦光来探索物理系统,从而快速解决具有挑战性的计算任务。在一份关于《科学进展》的新报告中,C.Tradonsky和以色列、印度物理系的一组研究人员,通过从分散的强度分布重建物体来解决相位恢复问题。实验过程解决了从X射线成像到天体物理学等学科中存在的一个问题,这些学科缺乏重建感兴趣对象的技术,在这些学科中,科学家通常使用间接迭代算法,这些算法本身就很慢。

在新的光学方法中,物理学家们相反地使用数字简并腔激光器(DDCL)模式来快速有效地重建感兴趣的对象。实验结果表明,多个激光模式之间的增益竞争就像一台高度并行的计算机,可以快速解决相位恢复问题。该方法适用于具有已知小型支持的二维(2-D)对象和复值对象,以通过散射介质推广成像,同时完成其他具有挑战性的计算任务。为了相对容易地计算远离未知物体散射光的强度分布,研究人员可以计算物体傅里叶变换的绝对值来源。然而,从其散射强度分布重建对象是不适定的,因为相位信息可能丢失。

并且研究中的不同相位分布可能导致不同的重建,因此,科学家必须获得关于物体形状、正性、空间对称性或稀疏性的先验信息,以便更精确地重建物体。这样的例子可以在天文学、短脉冲特性研究、X射线衍射、雷达检测、语音识别和跨混浊介质成像时找到。在有限范围对象重建过程中,研究人员提供了相位恢复问题的唯一解决方案,只要以足够高的分辨率建模相同散射强度。在过去的十年中,物理学家们开发了几种算法来解决相位恢复问题,包括Gerchberg-Saxton(GS)误差减少算法、混合输入-输入算法和松弛平均交替反射(RAAR)。

然而,基于迭代投影,即使在高性能计算机上也相对较慢,作为一种替代方案,研究团队可以使用专门定制的物理系统来解决计算挑战。虽然这样的系统不是通用的图灵机(即,它们不能执行任意计算),但它们可以有效地解决特定类别的问题,与使用传统的计算机相比,用这样的系统解决困难问题是有利的。研究实验证明了一种基于数字简并腔激光器(DDCL)快速解决相位恢复问题的新光学系统。该设备结合了两个约束,包括来自对象的散射光的傅立叶幅值和紧凑的支撑,腔内非线性激光过程产生了满足两个约束的自洽解决方案。

DDCL中潜在的物理机制与光学参量振荡器(OPO)自旋刺激器观察到的相似。OPO模拟器和DDCL都通过极快的操作进行了优化,具有避免局部极小值的能力,并且具有非高斯波包。腔内小型支撑孔,以确保激光相位不同配置导致不同的损耗,能让具有最小损耗的配置赢得模式竞争并解决相位问题。DDCL系统具有许多吸引人的重要特性,包括提供数百万个并行实验实现的高并行性、大约20纳秒的短往返时间、快速收敛时间和固有的选择模式,该模式可将模式竞争造成的损失降至最低。

理论上,在所有时间演化相位配置中,具有最高能量相位相对于有限的增益赢得了模式竞争。因此,实际中初始独立配置的数量越多,系统找到正确配置稳定且无损失解决方案的概率就越高。在实验装置中,包括一个具有固有增益介质的环形简并腔激光器,两个4f望远镜和一个振幅空间光调制器(SLM)。该系统还包括腔内孔径,三维反射镜和输出耦合器。研究小组使用左边的4f望远镜将增益介质的中心成像到SLM上,并独立控制每个像素的传输。将腔内孔径与SLM相结合,以控制并形成输出激光强度分布。

当科学家在两个透镜之间的傅立叶平面上放置腔内孔径(紧凑支撑掩模)时,每个相位分布显示出不同程度的损耗。因此,具有最小损耗的相位分布是本研究中最可能的激光模式。团队考虑了两个品质指标来量化系统的质量,包括解决方案的保真度和计算时间。研究小组获得了中心对称物体的代表性结果,其原始(实际物体)和重建形式的强度分布非常一致。

科学家测量了对象复杂性对重建保真度的影响,并形成了具有4个、16个和30个斑点对象的代表性强度分布。结果表明,复杂性较高的对象(具有更多斑点的对象)显示出更复杂的傅里叶强度分布,具有使用本系统无法解决的复杂细节。还注意到输入和重建保真度随着对象复杂性的增加而降低,将其归因于激光泵浦的波动技术噪声。并进行了定性实验,以评估物体重建过程中紧密性和对称性的影响。结果表明,小型孔支撑孔径显着改善了重建对象质量。然后又研究了小型支撑孔径的半径对重建质量和保真度的定量影响。

对于较大的对象,由于激光不能支持对象形状,因此代表性强度在重建保真度期间经历了快速衰减。对于小于小型支撑孔径的物体,科学家观察到保真度衰减较慢。总体而言,观察到当相机在系统内对一个对象的多个实现进行平均时,重建保真度降低。通常,由于激光腔中的相位像差,重建对象分辨率相对较低。研究人员建议优化系统并减少像差以提高分辨率。科学家们还分析了使用该系统提供重建解决方案所需的时间,并发现SLM(空间光调制器)和相机读数持续时间大约为20毫秒,激光的实际计算时间仅持续不到100纳秒。

当研究人员使用带有口袋电池的Q开关线性简并腔激光装置优化实验装置时,将系统的总计算时间减少到大约100纳秒,相比之下,RAAR算法的重建时间仅为1秒。以这种方式,C.Tradonsky及其同事提出了一种使用新的DDCL(数字简并腔激光器)快速恢复相位的光学系统,计算时间达到100纳秒,比传统基于算法的计算系统快几个数量级。基于结果,对DDCL系统的几个修改可以潜在地提高其性能,包括增加激光腔的长度以增加独立平行研究的数量,现在研究小组将进一步探索该系统,以解决各种问题,并解决通过散射介质传播后的成像质量。

博科园|Copyright Science X Network/Thamarasee Jeewandara,Phys
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aax4530
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