Rappresentazione spettro-temporale di modelli di impulsi a femtosecondi, preparato da un chip fotonico per seminare la generazione di supercontinuum. I modelli sono ottimizzati tramite l'apprendimento automatico per selezionare e migliorare le proprietà desiderate nel supercontinuum di output. Qui, gli impulsi sono separati da 1 picosecondo, e misurato sperimentalmente tramite gate ottico risolta in frequenza (FROG). Credito:Benjamin Wetzel
Utilizzando l'apprendimento automatico e un chip fotonico integrato, i ricercatori dell'INRS (Canada) e dell'Università del Sussex (Regno Unito) possono ora personalizzare le proprietà delle sorgenti luminose a banda larga. Chiamato anche "supercontinuo", queste sorgenti sono al centro delle nuove tecnologie di imaging e l'approccio proposto dai ricercatori porterà ulteriori informazioni sugli aspetti fondamentali delle interazioni luce-materia e dell'ottica non lineare ultraveloce. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 20 novembre, 2018.
Nel laboratorio del professor Roberto Morandotti all'INRS, i ricercatori sono stati in grado di creare e manipolare intensi modelli di impulsi ultracorti, utilizzati per generare uno spettro ottico a banda larga. Negli ultimi anni, lo sviluppo di sorgenti laser con impulsi laser intensi e ultracorti - che hanno portato al Premio Nobel per la Fisica nel 2018 - insieme a modi per confinare spazialmente e guidare la propagazione della luce (fibra ottica e guide d'onda) ha dato origine ad architetture ottiche di immensa potenza. Con questi nuovi sistemi, emerge una serie di possibilità, come la generazione del supercontinua, cioè spettri di luce estesi generati attraverso intense interazioni luce-materia.
Sistemi ottici così potenti e complessi, e i loro processi associati, attualmente costituiscono gli elementi costitutivi di applicazioni diffuse che vanno dalla scienza e metrologia del laser alle tecniche di rilevamento avanzato e di imaging biomedico. Per continuare a spingere i limiti di queste tecnologie, è necessaria una maggiore capacità di personalizzazione delle proprietà della luce. Con questo lavoro, il team di ricerca internazionale svela una soluzione pratica e scalabile a questo problema.
Un impulso ultracorto viene inviato in una fibra ottica e produce nuovi componenti di frequenza tramite intense interazioni luce-materia. Il progressivo allargamento spettrale dell'impulso luminoso iniziale che si verifica durante la propagazione, alla fine porta alla formazione di un cosiddetto supercontinuum. Nell'esempio qui, questo corrisponde ad una sorgente di "luce bianca" che, come un arcobaleno, è composto da tutti i colori visti nella regione visibile dello spettro elettromagnetico. Credito:Benjamin Wetzel
Dott. Benjamin Wetzel (Università del Sussex), ricercatore principale di questa ricerca guidata dal Prof. Roberto Morandotti (INRS) e dal Prof. Marco Peccianti (Università del Sussex), hanno dimostrato che diversi modelli di impulsi ottici a femtosecondi possono essere preparati e manipolati con giudizio. "Abbiamo sfruttato la compattezza, stabilità e risoluzione sub-nanometrica offerte da strutture fotoniche integrate per generare fasci riconfigurabili di impulsi ottici ultracorti, " spiega il Dr. Wetzel. "Il ridimensionamento esponenziale dello spazio dei parametri ottenuto porta a oltre 10 36 diverse configurazioni di modelli di impulsi ottenibili, più del numero di stelle stimato nell'universo, " conclude.
Con un numero così elevato di combinazioni per seminare un sistema ottico noto per essere altamente sensibile alle sue condizioni iniziali, i ricercatori si sono rivolti a una tecnica di apprendimento automatico per esplorare l'esito della manipolazione della luce. In particolare, hanno dimostrato che il controllo e la personalizzazione della luce in uscita è davvero efficiente, quando utilizzano congiuntamente il loro sistema e un algoritmo adatto per esplorare la moltitudine di modelli di impulsi luminosi disponibili utilizzati per adattare dinamiche fisiche complesse.
Questi risultati entusiasmanti avranno un impatto sulla ricerca fondamentale e applicata in numerosi campi, poiché gran parte degli attuali sistemi ottici si basa sugli stessi effetti fisici e non lineari di quelli alla base della generazione del supercontinuo. Il lavoro del team di ricerca internazionale dovrebbe quindi favorire lo sviluppo di altri sistemi ottici intelligenti tramite tecniche di auto-ottimizzazione, compreso il controllo di pettini di frequenza ottici (Nobel 2005) per applicazioni di metrologia, laser autoregolanti, elaborazione e amplificazione degli impulsi (Nobel 2018), nonché l'implementazione di approcci più fondamentali di apprendimento automatico, come i sistemi di reti neurali fotoniche.
