Hurtig laseropløsning til fasehentningsproblemet

Fysikere kan udforske skræddersyede fysiske systemer til hurtigt at løse udfordrende beregningsopgaver ved at udvikle spinsimulatorer, kombinatorisk optimering og fokusering af lys gennem spredningsmedier. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , C. Tradonsky og en gruppe forskere i fysiske afdelinger i Israel og Indien behandlede fasehentningsproblemet ved at rekonstruere et objekt fra dets spredte intensitetsfordeling. Den eksperimentelle proces adresserede et eksisterende problem inden for discipliner lige fra røntgenbillede til astrofysik, der mangler teknikker til at rekonstruere et objekt af interesse, hvor forskere typisk bruger indirekte iterative algoritmer, der i sagens natur er langsomme.

I den nye optiske tilgang, Tradonsky et al. Brugte omvendt en digital degenereret hulrumslaser (DDCL) -tilstand til hurtigt og effektivt at rekonstruere objektet af interesse. De eksperimentelle resultater antydede, at gevinstkonkurrencen mellem de mange lasemetoder fungerede som en meget parallel computer til hurtigt at opløse fasehentningsproblemet. Fremgangsmåden gælder for todimensionale (2-D) objekter med kendt kompakt understøttelse og objekter med kompleks værdi, at generalisere billeddannelse gennem spredningsmedier, mens du udfører andre udfordrende beregningsopgaver.

For at beregne intensitetsfordelingen af ​​lys spredt langt fra et ukendt objekt relativt let, forskere kan beregne kilden til den absolutte værdi af et objekts Fouriertransformation. Rekonstruktionen af ​​et objekt fra dets spredte intensitetsfordeling er, imidlertid, dårligt stillet, da faseinformation kan gå tabt, og forskellige fasefordelinger i arbejdet kan resultere i forskellige rekonstruktioner. Forskere skal derfor indhente forudgående oplysninger om et objekts form, positivitet, rumlig symmetri eller sparsitet for mere præcise genopbygninger af objekter. Sådanne eksempler findes i astronomi, kortpuls karakterisering undersøgelser, Røntgendiffraktion, radardetektion, talegenkendelse og ved billeddannelse på tværs af uklare medier. Under genopbygning af objekter med en endelig grænse (kompakt støtte), forskere tilbyder en unik løsning på fasehentningsproblemet, så længe de modellerer den samme spredte intensitet ved en tilstrækkeligt højere opløsning.

Fysikere havde udviklet flere algoritmer til at løse fasehentningsproblemet i det sidste årti, herunder Gerchberg-Saxton (GS) fejlreduktionsalgoritme, hybrid input-input algoritme og afslappede gennemsnitlige alternerende refleksioner (RAAR). Imidlertid, de er baseret på iterative fremskrivninger, der er relativt langsomme, selv på computere med høj ydeevne. Som et alternativ, forskerhold kan løse beregningsmæssige udfordringer ved hjælp af specifikt skræddersyede fysiske systemer. Selvom sådanne systemer ikke er universelle Turing -maskiner (dvs. de kan ikke udføre vilkårlige beregninger), de kan potentielt effektivt løse en bestemt klasse af problemer. At løse vanskelige problemer med sådanne systemer kan være en fordel i forhold til brugen af ​​konventionelle computere.

Tradonsky et al demonstrerede eksperimentelt et nyt optisk system til hurtigt at løse fasehentningsproblemer baseret på en digital degenereret hulrumslaser (DDCL). Enheden indeholdt to begrænsninger, herunder Fourier -størrelserne af spredt lys fra et objekt og den kompakte understøtning. Den ikke-lineære laserproces i hulrummet resulterede i en selvkonsistent løsning, der opfyldte begge begrænsninger. Den underliggende fysiske mekanisme i DDCL lignede den, der blev observeret med optiske parametriske oscillator (OPO) spin -stimulatorer.

Både OPO-simulatorer og DDCL'er har udført optimeringer via ekstremt hurtig betjening med mulighed for at undgå lokale minima og havde en ikke-gaussisk bølgepakke. Forskerne lettede den kompakte støtteåbning i hulrummet for at sikre forskellige konfigurationer af laserfaser for at resultere i forskellige tab, for at tillade konfigurationen med minimale tab at vinde modekonkurrencen og løse faseproblemet. DDCL -systemet indeholdt mange attraktive og vigtige funktioner, herunder høj parallelisme for at give millioner af parallelle eksperimentelle erkendelser, korte rundturstider på cirka 20 nanosekunder, hurtige konvergens -tider og en iboende udvælgelsesmetode, der tegnede sig for minimalt tab på grund af mode -konkurrence. I teorien, af alle de tidsudviklende fasekonfigurationer, den med den højeste energi vandt modekonkurrencen i forhold til den begrænsede gevinst. Som resultat, større antal indledende uafhængige konfigurationer i praksis, større sandsynlighed for, at systemet finder en korrekt løsning med en stabil konfiguration og uden tab.

I den eksperimentelle opsætning, Tradonsky et al inkluderede en ring degenereret hulrumslaser med et iboende forstærkningsmedium, to 4f -teleskoper og en amplitude rumlig lysmodulator (SLM). Systemet inkluderede også en intracavity blænde, 3-D spejle spejle og en output kobling. Holdet brugte de venstre 4f teleskoper til at afbilde midten af ​​forstærkningsmediet på SLM og kontrollerede transmissionen ved hver pixel, uafhængigt. De kombinerede intracavity blænde med SLM for at styre og danne output lasing intensitet distribution. Da forskerne placerede en intracavity blænde (kompakt støttemaske) ved Fourier -planet mellem de to linser, hver fasefordeling viste et andet tabsniveau. Følgelig, fasefordelingen med minimalt tab var den mest sandsynlige lasemetode i undersøgelsen. Teamet overvejede to fortjenstfigurer for at kvantificere systemets kvalitet inklusive løsningstrohed og beregningstid. Forskergruppen opnåede repræsentative resultater for centrosymmetriske objekter med meget god overensstemmelse mellem intensitetsfordelinger af det originale (faktiske objekt) og rekonstruerede former.

Tradonsky et al målte effekten af ​​objektkompleksitet på rekonstruktionstrohed og dannede repræsentative intensitetsfordelinger for objekter med fire, 16, og 30 pladser. Resultaterne viste, at objekter med højere kompleksitet (dem med flere pletter) viste Fourier-intensitetsfordeling med højere kompleksitet, med indviklede detaljer, der ikke kunne løses ved hjælp af det nuværende system. De bemærkede også, at input- og rekonstruktionsteknikkerne skulle falde med stigende objektkompleksitet, som de krediterede den svingende tekniske støj fra laserpumpen. De udførte kvalitative eksperimenter for at vurdere effekten af ​​tæthed og symmetri under genopbygning af objekter. Resultaterne viste, at en tæt kompakt understøtning forbedrede kvaliteten af ​​det rekonstruerede objekt betydeligt.

Teamet undersøgte derefter de kvantitative virkninger af radius af den kompakte støtteåbning på kvaliteten og troværdigheden af ​​genopbygning. For større objekter undergik den repræsentative intensitet hurtigt forfald under rekonstruktionstrohed, da laseren ikke var i stand til at understøtte objektformen. Med objekter mindre end den kompakte støtteåbning, Tradonsky et al. Observerede langsommere forfald i troskab. I alt, de observerede reduceret rekonstruktionstrohed, når kameraet var i gennemsnit på tværs af flere erkendelser af et objekt i systemet.

Generelt, opløsningen af ​​de rekonstruerede objekter var relativt lav på grund af faseaberrationer i laserhulen. Teamet foreslog at optimere systemet og reducere afvigelser for forbedret opløsning. Forskerne analyserede også den tid, det tog at tilbyde en genopbygningsløsning ved hjælp af systemet og fandt varighederne dikteret af SLM (rumlig lysmodulator) og kameraaflæsning til cirka 20 ms. Den faktiske beregningstid for lasingen varede kun mindre end 100 nanosekunder. Da Tradonsky et al optimerede den eksperimentelle opsætning ved hjælp af et Q-switchet lineært degenereret hulrumslaserarrangement med pockelceller, de reducerede systemets samlede beregningstid til cirka 100 nanosekunder. Forholdsvis rekonstruktionstiden med RAAR -algoritmen varede et sekund.

På denne måde. C. Tradonsky og kolleger præsenterede et optisk system til hurtig fasegenvinding ved hjælp af en ny DDCL (digital degenereret hulrumslaser). Beregningstiden udgjorde 100 nanosekunder; størrelsesordener hurtigere end konventionelle, algoritme baserede beregningssystemer. Baseret på resultaterne, flere ændringer af DDCL -systemet kan potentielt forbedre dets ydeevne, herunder øget længde af laserhulrummet for at øge antallet af uafhængige parallelle undersøgelser. Forskergruppen vil yderligere undersøge systemet for at løse en række problemer og løse billedkvalitet efter udbredelse gennem spredningsmedier.

© 2019 Science X Network