[論文レビュー] All-Optical Phase Conjugation Using Diffractive Wavefront Processing

Che‐Yung Shen, Jingxi Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2023

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、位相のずれを伴うコherentな場に対して全光的位相共役（OPC）を実現する、深層学習に最適化された受動的回折的波面プロセッサを提示する。3次元プロセスで加工された回折層を、波面の共役化に訓練させることで、未知の歪みに対しても耐障害性のあるOPCを太赫帯で達成し、アクティブ部品を一切使用しないコンパクトでスケーラブルな歪み補正および不透明度低減のソリューションを提示した。

ABSTRACT

Optical phase conjugation (OPC) is a nonlinear technique used for counteracting wavefront distortions, with various applications ranging from imaging to beam focusing. Here, we present the design of a diffractive wavefront processor to approximate all-optical phase conjugation operation for input fields with phase aberrations. Leveraging deep learning, a set of passive diffractive layers was optimized to all-optically process an arbitrary phase-aberrated coherent field from an input aperture, producing an output field with a phase distribution that is the conjugate of the input wave. We experimentally validated the efficacy of this wavefront processor by 3D fabricating diffractive layers trained using deep learning and performing OPC on phase distortions never seen by the diffractive processor during its training. Employing terahertz radiation, our physical diffractive processor successfully performed the OPC task through a shallow spatially-engineered volume that axially spans tens of wavelengths. In addition to this transmissive OPC configuration, we also created a diffractive phase-conjugate mirror by combining deep learning-optimized diffractive layers with a standard mirror. Given its compact, passive and scalable nature, our diffractive wavefront processor can be used for diverse OPC-related applications, e.g., turbidity suppression and aberration correction, and is also adaptable to different parts of the electromagnetic spectrum, especially those where cost-effective wavefront engineering solutions do not exist.

研究の動機と目的

• 波面補正における全光的位相共役（OPC）の受動的でコンパクトかつスケーラブルなソリューションの開発を目的とする。
• 非線形OPC手法の限界を克服し、設計された回折構造を用いて全光的処理を可能にする。
• コスト効率の良い波面工学が依然として困難である太赫帯へのOPC能力の拡張を目的とする。
• トレーニング中に見られなかった位相歪みに対してOPCを実証することで、システムの耐障害性を検証することを目的とする。
• 物理的に実現可能な受動的デバイスとして、不透明度低減および歪み補正の応用を可能にする。

提案手法

• 深層学習フレームワークを用いて、入射コherent場の全光的位相共役を実行するための受動的回折層のシーケンスを最適化した。
• 回折層は、任意の位相歪みを伴う入射波面を出力でその複素共役に変換するように訓練された。
• 訓練された回折プロセッサは、最適化された位相プロファイルを3次元プロセスで物理的に実現した。
• システムは太赫帯放射を用いて実験的に検証され、軸方向の厚さは数十波長にわたった。
• 標準の反射鏡と最適化された回折層を組み合わせることで、回折的位相共役ミラーを構築した。
• アクティブ部品を一切使用せず、受動的回折にのみ依存する波面処理が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深層学習で訓練された受動的回折的波面プロセッサは、トレーニング時に遭遇しなかった任意の位相歪みを伴う入力に対して、全光的位相共役を実行できるか？
• RQ2 トレーニング時に存在しなかった位相歪みに対して、回折プロセッサの一般化性能はどの程度か？
• RQ3 このアプローチは、物理的にコンパクトで3次元プロセスされた構造として太赫帯に実装可能か？
• RQ4 このプロセッサの性能は、歪み補正や不透明度低減のような応用において、波面歪みの補正にどの程度有効か？
• RQ5 この回折的波面プロセッサは、電磁スペクトルのさまざまな周波数帯域において、どの程度スケーラブルかつ適応可能か？

主な発見

• 3次元プロセスされた回折的波面プロセッサは、トレーニング中に遭遇しなかった位相歪みに対しても、全光的位相共役を正常に実行した。
• 軸方向に数十波長にわたる物理的コンパクトな透過型構造を用いて、効果的な波面補正が達成された。
• 回折プロセッサは、太赫帯で複雑な位相歪みを高い忠実度で補正する耐障害性を示した。
• 深層学習で最適化された回折層と標準のミラーを統合することで、機能的な回折的位相共役ミラーが実現された。
• このアプローチは、さまざまな電磁波帯域にスケーラブルかつ適応可能であり、特にコスト効率の良い波面工学ソリューションが不足している帯域において顕著である。
• この方法により、非線形光学材料やアクティブフィードバックループを一切必要としない受動的で低消費電力の波面補正が可能となった。