Что такое структурированный свет и почему он может пригодиться не только ученым
Зрение играет ключевую роль в восприятии мира человеком, обеспечивая более 80% всей информации. Наши глаза исключительно чувствительны и жизненно важны. При этом объем получаемых данных напрямую зависит от количества света, или фотонов, которые улавливают наши органы зрения.
Сравните свое восприятие в темной комнате ночью с тем, что вы видите при ярком дневном свете. Освещение не просто позволяет различать объекты, но и делает видимыми тончайшие детали. Благодаря современным оптическим микроскопам, ученые достигли разрешения изображений до половины длины волны света, около 250 нанометров.
Фотоника: неотъемлемая часть современной жизни
Оказывается, лазерное излучение и методы спектроскопии открывают доступ к еще большему объему информации. Эти технологии, изначально чисто научные, все шире используются в быту. К примеру, спектроскопия комбинационного рассеяния света дает возможность быстро и точно определять состав материалов. Каждое вещество, включая отдельные атомы и молекулы, имеет свой уникальный спектральный «отпечаток». Анализируя интенсивность этого отклика, можно судить об относительной доле вещества в образце. Этот подход лег в основу портативных устройств для анализа, например, на содержание нитратов в продуктах.
Еще один яркий пример использования света для передачи информации — оптоволоконная связь. По оптическому волокну свет на длине волны 1550 нм переносит огромные объемы данных на большие дистанции. Контролируемое использование света проявляется и в автомобильных фарах нового поколения, где адаптивное управление световыми пучками улучшает видимость и безопасность движения.
Следовательно, направленное формирование (структурирование) света позволяет сфокусироваться только на тех участках пространства, которые имеют значение для наблюдателя или задачи.
Пространственная модуляция света, оптические решетки и их применение в симуляторах
Эксперимент — фундаментальный метод познания мира. Однако его проведение часто затруднено или невозможно из-за высокой стоимости, технических ограничений или сложности создания нужных условий. В таких случаях ученые создают искусственные модели изучаемых систем, которыми легче управлять и анализировать в контролируемых условиях.
Одним из примеров таких моделей являются искусственные решетки — периодические структуры, состоящие из частиц или квазичастиц, имитирующих атомы в кристалле. Исследуя, например, поведение холодных атомов в таких решетках, сформированных с помощью структурированного лазерного света, ученые могут симулировать различные физические процессы и выявлять ключевые механизмы. Системы, способные воспроизводить поведение других физических объектов или явлений при заданных условиях, называются симуляторами.
Проще говоря, исследователи используют хорошо изученную физическую систему для имитации поведения другой системы, к которой прямой доступ затруднен. Анализируя параметры этой имитирующей системы в симуляторе при различных входных данных, можно находить ответы на фундаментальные научные вопросы. Кроме того, в последние годы симуляторы активно применяются для решения комплексных прикладных задач, особенно многофакторной оптимизации, сложность которых быстро растет с увеличением числа переменных. К таким задачам относятся логистика, составление графиков, управление цепочками поставок, оптимизация производства, проектирование электронных компонентов и многое другое.
Выясняется, что структурированный свет, например, формируемый лазером, полезен не только для передачи данных, но и для построения управляемых искусственных оптических решеток, применяемых в симуляторах. Обычный лазер излучает монохроматический свет (одного цвета) с интенсивностью, максимальной в центре пучка и спадающей к краям (гауссово распределение, похожее на колокол). Для создания структурированного света с нужным распределением интенсивности (например, в форме кольца или квадрата) исходный луч пропускают через особое устройство — пространственный модулятор света.
Существуют два основных типа пространственных модуляторов света: амплитудные и фазовые. Амплитудные модуляторы состоят из двумерного массива мельчайших зеркал (размером несколько микрометров). Каждое зеркало может находиться в одном из двух состояний. В первом состоянии все зеркала образуют ровную поверхность, полностью отражая лазерный луч без изменений. Во втором состоянии выбранные зеркала отклоняются на заданный угол, направляя часть луча в сторону. Это позволяет выборочно отражать или отводить отдельные участки лазерного пучка.
Этот метод подобен созданию маски: пиксели во втором состоянии «отсекают» ненужные части лазерного пучка, формируя заданный профиль интенсивности. Для этого на модулятор просто загружается нужное изображение. Ранние версии могли работать только в черно-белом режиме (уровни интенсивности 0 или 1), тогда как современные модели способны формировать градации серого благодаря широтно-импульсной модуляции.
Сфера применения амплитудных модуляторов света уже давно вышла за рамки чисто научных исследований. Они используются в проекторах, оборудовании для обработки материалов и серийно выпускаемых медицинских оптических томографах. Активно разрабатываются устройства дополненной и виртуальной реальности на основе этой технологии.
В отличие от амплитудных модуляторов, работающих с помощью отражения света миниатюрными зеркалами, фазовые модуляторы воздействуют на фазу световой волны, управляя ее распространением. Их принцип действия схож с работой экранов смартфонов или телевизоров: изменение напряжения на каждом микроскопическом элементе (пикселе) меняет ориентацию молекул жидких кристаллов, что локально влияет на прохождение света через этот участок.
Однако в пространственном модуляторе изменение ориентации пикселей меняет не поляризацию света, как в обычных ЖК-дисплеях, а эффективный показатель преломления внутри элемента. Это дает возможность контролировать фазу оптической волны на уровне отдельных пикселей размером всего несколько микрометров (обычно 4–20 мкм).
Ключевое преимущество фазовых модуляторов в их универсальности: их можно запрограммировать для работы в качестве разнообразных оптических компонентов, таких как сферические или цилиндрические линзы, одномерные или двумерные дифракционные решетки, элементы коррекции оптических искажений (аберраций, астигматизма) или комбинации этих элементов. Подобно амплитудным, они могут формировать нужное пространственное распределение интенсивности из исходного гауссова пучка. Однако их принцип работы основан на изменении направления распространения света, а не на его блокировке (как у амплитудных, действующих как маска). Это требует более сложных алгоритмов программирования с использованием Фурье-анализа и цифровой голографии. Несмотря на широкое применение фазовых модуляторов в оптических исследованиях, в коммерческих устройствах они пока встречаются реже, хотя и ведутся разработки AR/VR-систем на их основе.
Сравнивая два типа модуляторов, стоит отметить, что фазовые демонстрируют более высокую эффективность преобразования лазерного излучения, которая мало зависит от требуемой структуры света. Их другим плюсом является способность выполнять функции программируемых оптических элементов с регулируемыми характеристиками. Преимущества амплитудных модуляторов включают более высокую скорость работы (десятки килогерц против сотен герц у фазовых) и более простые принципы управления.
Используя фазовый пространственный модулятор света на базе жидких кристаллов, команда Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха успешно создает настраиваемые оптические решетки различной формы. Под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, исследователи Сколтеха разработали систему цифровой голографии, применимую как в фундаментальных исследованиях («оптическая печать», аналоговые симуляторы, оптимизаторы), так и в прикладных областях (оптические пинцеты, измерения, связь в свободном пространстве, лидары). Лаборатория также применяет эти разработки для изучения гибридных состояний света и вещества — экситон-поляритонов. С 2016 года коллектив опубликовал ряд работ в ведущих научных журналах (Nature, Science Advances, Physical Review Letters и др.).
Будущее за оптическими вычислениями?
С появлением компактных полупроводниковых лазеров оптические вычисления начали рассматриваться как «священный Грааль» в сфере обработки информации. Эти лазеры на печатных платах дали возможность передавать данные между платами по гибким оптоволоконным кабелям, главное достоинство которых — невосприимчивость к электромагнитным помехам. Как оптическое волокно, так и медный провод служат волноводами для электромагнитных волн. Ключевое различие — в частоте волн, эффективно проходящих через материал волновода. Оптическое волокно из стекла прозрачно для частот около 200 ТГц, что обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных по сравнению с медными кабелями, чья пропускная способность ограничена примерно 100 МГц свойствами металла.
Однако такое ускорение требует больших энергетических затрат. Волны более высоких частот несут больше энергии, и для их генерации требуются переходы между энергетическими уровнями атомов со значительной разностью. Следовательно, полупроводниковый лазер, работающий с оптоволокном, потребляет больше энергии, чем обычный транзистор на медных проводниках. Для передачи данных на дальние расстояния это оправдано, но замена медных связей на оптоволокно внутри материнской платы компьютера пока нецелесообразна, особенно пока рабочие частоты процессоров находятся в гигагерцевом диапазоне.
Стремление преодолеть гигагерцевый барьер электроники подталкивает ученых к идее замены электронов фотонами в вычислительных устройствах. Технология фотонных интегральных схем выглядит наиболее перспективной для индустриального внедрения. Она основана на использовании стандартных электронных производственных процессов для создания микросхем с оптическими волноводами. Вычисления в таких схемах реализуются за счет нелинейного взаимодействия света и вещества. Поскольку лазерные источники также могут быть интегрированы в чип, фотонные интегральные схемы могут стать важным шагом на пути к полностью оптическим вычислениям. Размещение на одном чипе источников света, волноводов и вычислительных элементов позволяет создавать гибридные электронно-фотонные устройства уже сегодня.
Однако эта технология фотонных вычислений пока наследует некоторые ограничения электроники, например, необходимость планарной (двумерной) компоновки. Одним из главных преимуществ чисто фотонных вычислений является значительно меньшее тепловыделение, что потенциально позволит создавать трехмерные вычислительные структуры. Масштабирование электронных систем в объеме ограничено тем, что объем выделяемого тепла (пропорциональный кубу размера) растет быстрее, чем площадь поверхности для его отвода (пропорциональная квадрату размера).
Для реализации трехмерных оптических вычислений требуются прорывные голографические технологии. Подобно фотонным интегральным схемам, объемные оптические системы, вероятно, сначала будут гибридными, сочетая электронику и фотонику. Учитывая их особенности, оптические вычислители, скорее всего, не заменят полностью привычные компьютеры, но идеально подойдут для роли специализированных сопроцессоров, эффективно решающих определенные типы задач.
Уже сейчас компьютерные голограммы применяются для ускорения операций умножения матриц на векторы. Эта операция, являющаяся основой параллельных вычислений на видеокартах, критически важна для современных систем искусственного интеллекта и компьютерного зрения.
Тем не менее, до полной реализации потенциала голографических вычислений предстоит пройти немалый путь. Ключевым вопросом может стать обоснование необходимости работы вычислительных устройств на частотах выше 1 ТГц. Например, человеческий мозг функционирует за счет химических процессов, скорость которых измеряется микросекундами, что соответствует частоте едва ли выше 1 МГц (хотя нейробиологи могут иметь иное мнение). При этом мозг способен решать задачи, недоступные даже самым совершенным современным системам ИИ.
Оптические вычислители, независимо от их конечной реализации, потенциально могут принести такой же прорыв, как переход от ламп накаливания к светодиодам, значительно снизив энергопотребление. Однако для того, чтобы стать частью повседневной жизни, им предстоит пройти весь путь от лабораторных экспериментов до массового производства. Сейчас мы лишь в начале этого пути, и пока неясно, какой из подходов окажется наиболее успешным. Поэтому важно поддерживать все перспективные направления, включая технологии, основанные на использовании структурированного света, которые уже сейчас вызывают живой интерес как у ученых, так и в промышленности.
