Tecnologia Científica

Redes ópticas difrativas reconstroem hologramas instantaneamente sem um computador digital
Em muitas aplicações de holografia, a reconstrução de hologramas para recuperar as informações do objeto geralmente é realizada usando computadores digitais e algoritmos iterativos, que podem ser demorados dependendo do tamanho dos hologramas.
Por UCLA Engineering Institute for Technology Advancement - 02/11/2021


Reconstrução totalmente óptica e sem computador de hologramas usando redes difrativas. Crédito: UCLA Engineering Institute for Technology Advancement

Desde sua invenção pelo Prêmio Nobel Dennis Gabor no final da década de 1940, a holografia encontrou amplo uso em aplicações científicas e de engenharia, como imagens computacionais, microscopia, sensores, monitores e interferometria. Em muitas aplicações de holografia, a reconstrução de hologramas para recuperar as informações do objeto geralmente é realizada usando computadores digitais e algoritmos iterativos, que podem ser demorados dependendo do tamanho dos hologramas.

Em um artigo publicado recentemente na ACS Photonics , o professor Aydogan Ozcan e o estudante de graduação Sadman Sakib Rahman do California NanoSystems Institute (CNSI) e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) apresentaram uma nova abordagem para computadores - reconstrução totalmente ótica e gratuita de hologramas usando redes difrativas. Uma rede difrativa é um processador totalmente óptico composto por um conjunto de superfícies difrativas espacialmente projetadas que calculam coletivamente uma transformação desejada de um campo de luz de entrada por meio de interação luz-matéria e difração. As características espaciais de uma rede difrativa são treinadas e otimizadas para uma dada tarefa usando o aprendizado profundo em um computador. Após a conclusão do treinamento, essas superfícies difrativas podem ser fabricadas e montadas para formar uma rede física que pode reconstruir totalmente opticamente um holograma de entrada de um objeto ou cena desconhecida, à velocidade da luz e sem qualquer energia externa, exceto para a iluminação luz.

Toda a arquitetura de rede difrativa que pode reconstruir hologramas totalmente opticamente é muito fina e abrange apenas ~ 225 vezes o comprimento de onda da luz. Por exemplo, usando uma fonte de laser verde para iluminação, tal rede difrativa seria tão fina quanto um cabelo humano, tornando-a extremamente compacta e leve. Este design compacto e muito fino também torna possível reconstruir instantaneamente um objeto de seu holograma em menos de 1 picossegundo, que é mais de um trilhão de vezes mais rápido em comparação com algoritmos de reconstrução de holograma digital de última geração que utilizam unidades de processamento gráfico (GPUs).

As análises numéricas realizadas por pesquisadores da UCLA mostram que a rede difrativa exibe inúmeras vantagens para a reconstrução de holograma totalmente ótica, alcançando qualidade de reconstrução de imagem superior, profundidade de campo aprimorada e maior eficiência de difração na saída do processador difrativo. Os pesquisadores da UCLA concluem que este processador de holograma totalmente óptico pode encontrar muitas aplicações em diferentes campos, como imagens holográficas, microscopia, detecção e aplicações relacionadas à exibição, especialmente se beneficiando de sua operação sem computador e capacidade de reconstrução de imagem ultrarrápida. Os autores agradecem o financiamento de pesquisa do US AFOSR.

 

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