Tecnologia Científica

Minimizando o ruído da fase do laser com aprendizado de máquina
Uma maneira de se aproximar de um laser ultrapreciso é determinar o ruído de fase . Isso pode permitir que você encontre uma maneira de compensá-lo, de modo que o resultado se torne um feixe de laser mais puro e preciso.
Por Henrik Bendix - 03/01/2022


Crédito: Universidade Técnica da Dinamarca

Lasers ultraprecisos podem ser usados ​​para relógios atômicos ópticos, computadores quânticos, 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 máquina.

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

A maioria dos lasers que usamos diariamente não precisa ser totalmente precisa. Por exemplo, não é importante se a frequência da luz laser vermelha nos leitores de código de barras de supermercados varia ligeiramente durante a leitura dos códigos de barras. Mas para certas aplicações - por exemplo, em relógios atômicos ópticos e instrumentos de medição ópticos - é absolutamente crucial que o laser seja estável para que a frequência da luz não varie.

Uma maneira de se aproximar de um laser ultrapreciso é determinar o ruído de fase . Isso pode permitir que você encontre uma maneira de compensá-lo, de modo que o resultado se torne um feixe de laser mais puro e preciso.

É precisamente nisso que o professor Darko Zibar da DTU Fotonik está trabalhando. Ele lidera um grupo de pesquisa denominado Machine Learning in Photonic Systems, onde o objetivo é desenvolver e utilizar o machine learning para aprimorar sistemas ópticos . Mais recentemente, pesquisadores do grupo caracterizaram o ruído de um sistema de laser da empresa dinamarquesa NKT Photonics com precisão sem precedentes.

"A questão é como medir esse ruído, e aqui desenvolvemos o método mais preciso disponível. Podemos medir com muito mais precisão do que outros - nosso método tem sensibilidade recorde", diz Darko Zibar.

Ele desenvolveu um algoritmo que pode analisar e encontrar padrões de luz laser usando aprendizado de máquina, onde um modelo para o ruído é constantemente aprimorado. Com base nisso, o grupo de pesquisadores espera ser capaz de desenvolver uma forma de filtro inteligente que limpe continuamente o ruído do feixe de laser.
 
A mecânica quântica define o limite

Isso é algo que a NKT Photonics pode utilizar em seus instrumentos de medição óptica, afirma o pesquisador sênior 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 o nível de ruído é particularmente baixo. Nossa tarefa mais importante é limitar o ruído e, em termos de tecnologia de medição, tivemos dificuldade em medir ruído 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 ruído até frequências muito altas, e os resultados na verdade contradizem o entendimento estabelecido sobre o ruído do laser."

Com o novo e aprimorado método de medição, os pesquisadores puderam mostrar que a base teórica para calcular o ruído não estava bem estabelecida. Com o conhecimento mais detalhado do ruído, os engenheiros podem identificar melhor as partes do sistema de laser de onde o ruído emana, para que saibam onde fazer melhorias. A esperança é que o sistema de aprendizado de máquina também possa ser usado para atenuar o ruído em tempo real.

Você não pode eliminar completamente o ruído, porque as leis da mecânica quântica estabelecem um limite fundamental para a qualidade de um laser. É impossível eliminar o ruído quântico, mas agora pode pelo menos ser medido, diz Darko Zibar:

"Podemos medir as frequências em que o ruído quântico é dominante. Dessa forma, podemos determinar o ruído fundamental e descobrir o quanto ele contribui para o ruído total. Depois de sabermos o limite fundamental para a qualidade do laser, podemos então descobrir como suprimir o resto do ruído. "

"Este é nosso próximo projeto - como primeiro identificamos e, em seguida, suprimimos o ruído, para obter um laser que é limitado apenas pelo ruído quântico. Isso nos permitirá produzir alguns dos melhores lasers do mundo."

Cabo óptico sente vibrações

Quando o ruído do laser é conhecido, ele pode ser combatido de acordo com aproximadamente o mesmo princípio usado em fones de ouvido com redução de ruído. Aqui, os microfones captam o som ao redor e um sinal é enviado em contra-fase para os alto-falantes, de modo que o ruído e o novo sinal se eliminam, e o resultado é o silêncio.

Se a técnica pode ser usada para melhorar os lasers eliminando uma grande parte do ruído de forma que a frequência da luz virtualmente não varie, os instrumentos de medição ótica podem ter maior sensibilidade e um alcance maior. Na NKT Photonics, a tecnologia pode ser usada inicialmente para sensoriamento acústico distribuído, onde um cabo de fibra óptica é usado como sensor para medir pequenas vibrações. O sensoriamento acústico distribuído pode ser usado para várias formas de monitoramento. Por exemplo, uma fibra óptica 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 óptico funciona por um feixe de laser enviado para a fibra óptica. Durante o processo, um pouco da luz é refletida 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 é mensurável. Mesmo vibrações muito fracas podem ser detectadas e localizadas com grande precisão.

Monitoramento de cabos para as ilhas de energia

Se a nova tecnologia da DTU fornece atenuação de ruído de luz laser mais eficaz, o sensoriamento acústico distribuído pode ser usado em distâncias um pouco maiores do que hoje. Tanto a sensibilidade quanto a faixa de detecção acústica distribuída podem ser aumentadas com lasers mais precisos, e isso pode, por exemplo, ser necessário 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, é um desafio que o alcance dos sistemas atuais seja limitado a no máximo 50 km, e a distância até a ilha de energia seja um pouco maior.

Poul Varming também menciona que uma série de tecnologias quânticas requerem lasers extremamente precisos. Com lasers com atenuação de ruído, fica mais fácil desenvolver relógios atômicos ópticos ultraprecisos e certos tipos de computadores quânticos, onde os lasers são usados ​​para resfriar átomos individuais até perto 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.

 

.
.

Leia mais a seguir