Аспирант физического факультета Борис Румянцев прошел курс «Нейронные сети и их применение в научных исследованиях» и стал одним из победителей конкурса публикаций 7-го потока MSU.AI. Статья опубликована в сборнике научных трудов XIV международной конференции по фотонике и информационной оптике.
Терагерцевый (ТГц) диапазон электромагнитного спектра охватывает диапазон от ~0.1 ТГц (длина волны 3 мм) до ~10 ТГц (30 мкм). ТГц-диапазон является промежуточным на пути от радиоволн к оптическому излучению, поэтому исторически этот диапазон был труднодоступен как с точки зрения генерации, так и регистрации излучения. Так, обычные радиоэлектронные компоненты не работают на частотах выше ~0.3 ТГц, в то время как фотоны ТГц-диапазона обладают малой энергией кванта, которая сравнима с тепловой энергией флуктуаций при комнатной температуре. Таким образом, частота колебаний ТГц-поля слишком велика для применения радиоэлектронных методов генерации и регистрации, а энергия ТГц-фотона слишком мала для применения квантовых подходов.
Решением оказалось использование методов нелинейной оптики для генерации и регистрации ТГц-излучения. В частности, классическим методом регистрации на сегодняшний день является метод электрооптического детектирования на основе эффекта Поккельса в электрооптическом кристалле, открывший возможности для проведения терагерцевой спектроскопии для изучения абсорбционных и дисперсионных свойств различных образцов, включая газы, жидкости, жидкие кристаллы и многие типы твердых тел - от полупроводников и сверхпроводников до молекулярных кристаллов. Однако данный метод имеет ограничение по максимальной напряженности измеряемого ТГц-поля на уровне сотен кВ/см, а результаты таких измерений подвержены искажениям за счет наличия ТГц-резонансов в области 1-10ТГц в кристаллах, используемых в данном методе.
В рамках данной работы предложен и экспериментально реализован метод регистрации временной формы спектра ТГц-излучения на основе эффекта генерации оптических гармоник фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона в газовой среде с применением машинного обучения для восстановления параметров ТГц-импульса по измеренному сигналу. Преимуществом данного метода в сравнении с электрооптически детектированием является отсутствие необходимости использования нелинейного кристалла, искажающего временную форму и пиковую напряженность измеряемого ТГц-поля при измерении широкополосного сигнала.
«Идея метода у меня родилась при проведении экспериментов для кандидатской диссертации в лаборатории нелинейной оптики и сверхсильных световых полей под руководством д.ф.-м.н. профессора Потёмкина Фёдора Викторовича на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Регистрируемый сигнал оптических гармоник в нашем эксперименте отдаленно напоминал временную форму ТГц-поля, которую мы с коллегой измеряли ранее методом электрооптического детектирования. Тем не менее, совпадение было не точным, а об измерении спектра ТГц-поля в такой схеме не было и речи. В тот период я как раз проходил обучение на курсе «Нейронные сети и их применение в научных исследованиях», и благодаря этому меня осенило, что для восстановления спектрально-временной формы ТГц-излучения, «закодированной» в экспериментальном сигнале гармоник, как раз можно использовать нейросеть. Физический механизм формирования сигнала, который мы измеряли в эксперименте, позволял составить обширный датасет из синтезированных данных, не прибегая к необходимости многократных измерений репрезентативной выборки сигналов в эксперименте. Задачей нейросети, обученной на этих синтезированных данных, было восстановить спектрально-временную форму ТГц-импульса по сигналу второй гармоники, измеренному в эксперименте. В результате подбора оптимальных лосс-функции и архитектуры нейросети, в чём неоценимую помощь мне оказал преподаватель курса Артём Васильев, удалось эффективно обучить нейросеть и успешно протестировать ее работу на реальных экспериментальных данных, полученных у нас в лаборатории», - рассказал аспирант физического факультета МГУ Борис Румянцев.
В рамках данной работы предложен и апробирован метод восстановления спектра и временной формы поля терагерцевого импульса на основе измерения сигнала второй оптической гармоники, генерируемой в газовой среде при двухцветном воздействии терагерцевого и фемтосекундного лазерного импульса ближнего ИК диапазона. Для восстановления спектрально-временной формы тергерцевого излучения использована предобученная на синтезированных данных полносвязная нейронная сеть, принимающая на вход измеряемую зависимость сигнала второй гармоники от задержки между инфракрасным и терагерцевым импульсами. Показано, что применение такой нейросети позволяет корректно восстановить основные особенности спектра и временной формы терагерцевого импульса по экспериментально измеренным сигналам. Предлагаемый подход может быть использован для проведения спектроскопии в терагерцевом диапазоне, а также для характеризации терагерцевого поля в экспериментах в области оптического ускорения заряженных частиц и нелинейной оптики.
