Укрощение светового шторма: как самарские физики учатся управлять хаосом внутри лазеров

Ученые Самарского университета им. Королёва и Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН провели совместное исследование, посвященное хаотической динамике лазеров с широким излучателем. Свет в таких лазерах ведет себя подобно бушующему морю в шторм: волны непредсказуемым образом сталкиваются, образуя как области с очень высокими волнами, так и области затишья. С помощью математических уравнений и численного моделирования физики точно рассчитали условия, при которых лазер переходит в режим генерации хаотического выходного пучка. Результаты данного исследования позволят в перспективе создавать особенные лазерные системы, которые смогут работать как фотонные нейроны в миниатюрных, энергоэффективных и быстродействующих оптических нейросетях будущего.

Исследование проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проектов государственного задания образовательным и исследовательским институтам. Итоги научных изысканий отражены в статьях, опубликованных в авторитетных международных журналах "Optics Letters" и "Journal of the Optical Society of America B".

В первой работе, опубликованной в Optics Letters, физики взяли полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) и применили изящный метод усмирения хаоса: инжекция ("впрыскивание") внешнего слабого излучения. Это означает, что внутрь лазера, генерирующего хаос, светят слабым, но очень точным лучом от другого лазера. Это похоже на то, как дирижёр точными ритмичными движениями своей палочки заставляет оркестр играть не вразнобой, а слаженно. Так и в оптической системе правильно настроенное излучение от внешнего лазера заставляет мощный лазер с широким излучателем работать в такт, стабилизируя его выходной луч. Кроме того, управляя параметрами "впрыскиваемого" излучения можно получить оптические узоры правильной формы – страйпы и гексагоны.

Еще одно исследование из этой же области было опубликовано самарскими физиками в "Journal of the Optical Society of America B". В нём изучалось поведение особого класса лазеров – с чрезвычайно высокими потерями на зеркалах или вообще без зеркального резонатора. К таким системам относятся, например, перспективные нанолазеры: из-за их микроскопических размеров традиционные зеркала в них попросту отсутствуют. Такие лазеры изначально светят не непрерывным во времени пучком, а постоянно пульсируют. В случае лазера с широким излучателем это означает, что все точки лазера пульсируют абсолютно синхронно. Коллективу авторов удалось определить, при каких условиях такие синхронные колебания устойчивы и могут длиться сколь угодно долго, а при каких синхронность постепенно разрушается. Нарушение синхронности колебаний между точками лазера приводит к формированию причудливых узоров, хаоса и даже оптических вихрей.

Зачем это нужно? Взгляд в будущее оптических нейронных сетей

Зачем нужно управлять уметь управлять световых хаосом и уметь создавать внутри лазера сложные оптические узоры? Ответ лежит в области самых передовых технологий – создания оптических нейронных сетей. Мозг человека обрабатывает информацию не последовательно, как компьютер, а одновременно в множестве параллельных потоков, благодаря работе нейронной сети.

Широкоапертурные (с широким излучателем) лазеры, способные генерировать управляемые сложные структуры, являются идеальной "железной" основой для имитации работы мозга. Здесь:

• Каждая точка на выходной апертуре может играть роль аналогового нейрона.
• Взаимодействие между ними, определяемое дифракцией света, может работать как синапсы (связи между нейронами).
• Входные данные можно подавать через тот самый метод "впрыскивания" (из первой статьи "Optics Letters"), а выходной результат – считывать с формы получившегося светового поля.

Такая система будет обрабатывать информацию не последовательно, бит за битом, а мгновенно и параллельно, всей своей площадью, со скоростью света и с колоссальной энергоэффективностью. Это путь к созданию принципиально новых систем искусственного интеллекта для распознавания образов, принятия решений и обработки больших данных.

Таким образом, фундаментальные исследования самарских физиков – это не просто про хаос и завораживающие картинки. Это протоколы управления светом на самом фундаментальном уровне. Это создание инструментария для следующего технологического прорыва – нейроморфных вычислений, работающих на скорости света.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий. Еще больше информации об исследованиях ученых университета – на сайте проекта "Одержимы наукой".