Lasers ultraprecisos podem ser usados ​​para rela³gios ata´micos a³pticos, computadores qua¢nticos, monitoramento de cabos de alimentação e muito mais. Mas todos os lasers fazem barulho, que os pesquisadores da DTU Fotonik querem minimizar usando o aprendizado de ma¡quina.

O laser perfeito não existe. Sempre havera¡ um pouco de rua­do de fase porque a frequência da luz do laser se move um pouco para frente e para trás. O rua­do de fase impede que o laser produza ondas de luz com a estabilidade perfeita que, de outra forma, éuma caracterí­stica do laser.

A maioria dos lasers que usamos diariamente não precisa ser totalmente precisa. Por exemplo, não éimportante se a frequência da luz laser vermelha nos leitores de ca³digo de barras de supermercados varia ligeiramente durante a leitura dos ca³digos de barras. Mas para certas aplicações - por exemplo, em rela³gios ata´micos a³pticos e instrumentos de medição a³pticos - éabsolutamente crucial que o laser seja esta¡vel para que a frequência da luz não varie.

Uma maneira de se aproximar de um laser ultrapreciso édeterminar o rua­do de fase . Isso pode permitir que vocêencontre uma maneira de compensa¡-lo, de modo que o resultado se torne um feixe de laser mais puro e preciso.

a‰ precisamente nisso que o professor Darko Zibar da DTU Fotonik estãotrabalhando. Ele lidera um grupo de pesquisa denominado Machine Learning in Photonic Systems, onde o objetivo édesenvolver e utilizar o machine learning para aprimorar sistemas a³pticos . Mais recentemente, pesquisadores do grupo caracterizaram o rua­do de um sistema de laser da empresa dinamarquesa NKT Photonics com precisão sem precedentes.

"A questãoécomo medir esse rua­do, e aqui desenvolvemos o manãtodo mais preciso dispona­vel. Podemos medir com muito mais precisão do que outros - nosso manãtodo tem sensibilidade recorde", diz Darko Zibar.

Ele desenvolveu um algoritmo que pode analisar e encontrar padraµes de luz laser usando aprendizado de ma¡quina, onde um modelo para o rua­do éconstantemente aprimorado. Com base nisso, o grupo de pesquisadores espera ser capaz de desenvolver uma forma de filtro inteligente que limpe continuamente o rua­do do feixe de laser.

Isso éalgo que a NKT Photonics pode utilizar em seus instrumentos de medição a³ptica, afirma o pesquisador saªnior Poul Varming e seu colega Jens E. Pedersen, que trabalharam com os pesquisadores da DTU:

"Trabalhamos com lasers de fibra que emitem luz constante e onde onívelde rua­do éparticularmente baixo. Nossa tarefa mais importante élimitar o rua­do e, em termos de tecnologia de medição, tivemos dificuldade em medir rua­do em frequências muito altas", diz Poul Varming e continua:

"Mas então entramos em contato com Darko Zibar e seu grupo, e produzimos alguns lasers para eles. Os pesquisadores foram capazes de medir o rua­do atéfrequências muito altas, e os resultados na verdade contradizem o entendimento estabelecido sobre o rua­do do laser."

Com o novo e aprimorado manãtodo de medição, os pesquisadores puderam mostrar que a base tea³rica para calcular o rua­do não estava bem estabelecida. Com o conhecimento mais detalhado do rua­do, os engenheiros podem identificar melhor as partes do sistema de laser de onde o rua­do emana, para que saibam onde fazer melhorias. A esperana§a éque o sistema de aprendizado de ma¡quina também possa ser usado para atenuar o rua­do em tempo real.

Vocaª não pode eliminar completamente o rua­do, porque as leis da meca¢nica qua¢ntica estabelecem um limite fundamental para a qualidade de um laser. a‰ impossí­vel eliminar o rua­do qua¢ntico, mas agora pode pelo menos ser medido, diz Darko Zibar:

"Podemos medir as frequências em que o rua­do qua¢ntico édominante. Dessa forma, podemos determinar o rua­do fundamental e descobrir o quanto ele contribui para o rua­do total. Depois de sabermos o limite fundamental para a qualidade do laser, podemos então descobrir como suprimir o resto do rua­do. "

"Este énosso pra³ximo projeto - como primeiro identificamos e, em seguida, suprimimos o rua­do, para obter um laser que élimitado apenas pelo rua­do qua¢ntico. Isso nos permitira¡ produzir alguns dos melhores lasers do mundo."

Quando o rua­do do laser éconhecido, ele pode ser combatido de acordo com aproximadamente o mesmo princa­pio usado em fones de ouvido com redução de rua­do. Aqui, os microfones captam o som ao redor e um sinal éenviado em contra-fase para os alto-falantes, de modo que o rua­do e o novo sinal se eliminam, e o resultado éo silaªncio.

Se a técnica pode ser usada para melhorar os lasers eliminando uma grande parte do rua­do de forma que a frequência da luz virtualmente não varie, os instrumentos de medição a³tica podem ter maior sensibilidade e um alcance maior. Na NKT Photonics, a tecnologia pode ser usada inicialmente para sensoriamento acaºstico distribua­do, onde um cabo de fibra a³ptica éusado como sensor para medir pequenas vibrações. O sensoriamento acaºstico distribua­do pode ser usado para várias formas de monitoramento. Por exemplo, uma fibra a³ptica pode ser colocada ao longo de um oleoduto ou gasoduto para garantir a detecção ultrarrápida de quaisquer rupturas. Ou a tecnologia pode ser usada para monitorar a cerca ao redor de um aeroporto ou em uma fronteira - se um buraco for aberto na cerca ou alguém tentar pular - a tecnologia pode não apenas sinalizar o que aconteceu, mas também apontar onde ocorreu.

Tal sistema de monitoramento a³ptico funciona por um feixe de laser enviado para a fibra a³ptica. Durante o processo, um pouco da luz érefletida de volta por pequenas impurezas na fibra. No entanto, se a fibra for afetada ao longo do caminho, as propriedades da luz refletida também mudam, o que émensura¡vel. Mesmo vibrações muito fracas podem ser detectadas e localizadas com grande precisão.

Se a nova tecnologia da DTU fornece atenuação de rua­do de luz laser mais eficaz, o sensoriamento acaºstico distribua­do pode ser usado em distâncias um pouco maiores do que hoje. Tanto a sensibilidade quanto a faixa de detecção acústica distribua­da podem ser aumentadas com lasers mais precisos, e isso pode, por exemplo, ser necessa¡rio quando a eletricidade for transportada das próximas ilhas de energia no Mar do Norte para o continente. Aqui, os cabos de alimentação podem ser monitorados utilizando a tecnologia, de forma que eventuais rupturas possam ser detectadas e reparadas rapidamente. Hoje, éum desafio que o alcance dos sistemas atuais seja limitado a no ma¡ximo 50 km, e a distância atéa ilha de energia seja um pouco maior.

Poul Varming também menciona que uma sanãrie de tecnologias qua¢nticas requerem lasers extremamente precisos. Com lasers com atenuação de rua­do, fica mais fa¡cil desenvolver rela³gios ata´micos a³pticos ultraprecisos e certos tipos de computadores qua¢nticos, onde os lasers são usados ​​para resfriar a¡tomos individuais atéperto do zero absoluto. A nova geração de sistemas a laser que pode ser resultado do trabalho de pesquisadores e engenheiros oferece, portanto, um grande potencial.