• شماره ركورد
    24715
  • شماره راهنما
    PHY2 804
  • عنوان

    توليد آزمايشگاهي پرتوي نور سوزني غيرپراشي با استفاده از يك شبكه‌ي عصبي فيزيك‌آگاه

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    فيزيك - اپتيك و ليزر
  • دانشكده
    فيزيك
  • تاريخ دفاع
    1404/03/27
  • صفحه شمار
    89 ص.
  • استاد راهنما
    سعيد قوامي صبوري
  • كليدواژه فارسي
    پرتوي نور سوزني , انتشار بدون پراش , قابليت خودترميمي , مدولاتور فضايي نور , عنصر پراشي نوري , هوش مصنوعي , شبكه‌‌ي عصبي فيزيك آگاه
  • چكيده فارسي
    پرتوي نور سوزني، به عنوان يك پرتوي بسل‌گونه، داراي هسته‌ي مركزي روشن و حلقه‌هاي تاريك و روشن هم مركز با آن در نمايه‌ي عرضي خود مي‌باشد. ويژگي انتشار بدون پراش اين پرتو، منجر به ثابت ماندن نمايه‌ي عرضي آن در طول انتشار مي‌شود و به سبب قابليت خودترميمي كه دارد، در صورت مختل شدن در طول انتشار مي‌تواند پس از طي مسافت كوتاهي توزيع شدت خود را بازسازي كند. اين ويژگي‌ها سبب مي‌شوند كه پرتوهاي سوزني در برخي كاربردها مانند مخابرات نوري، به دام انداختن ذرات و نيز تصويربرداري زيستي، موثرتر از پرتوي گاوسي معمولي ظاهر شوند. ما در اين تحقيق، قصد داريم پس از بررسي نظري و شبيه‌سازي طرح شدت پرتوي نور سوزني، اين پرتو را با استفاده از مدولاتور فضايي نور به صورت آزمايشگاهي توليد و مطالعه كنيم. بدين منظور نيازمند طراحي عنصر پراشي متناظر با پرتوي سوزني خواهيم بود كه در روش سنتي با استفاده از روابط رياضي صورت مي‌گيرد؛ اما اين روش محدوديت‌هايي را بر مهندسي ويژگي‌هاي انتشار پرتو اعمال مي‌كند. به عنوان مثال، رابطه‌ي رياضي مورد استفاده در طراحي مستقيم، داراي تكينگي در مبدا مختصات مي‌باشد كه براي رفع آن لازم است مركز عنصر پراشي تا شعاع مشخصي برابر با مقدار صفر قرار داده شود؛ اين كار بازده انتقال توان را كاهش مي‌دهد. عدم امكان تنظيم نقطه‌ي شروع و پايان انتشار پرتو يا تنظيم طول انتشار و پهناي پرتوي سوزني به صورت مستقل از هم و نيز مشاهده‌ي نوساناتي در توزيع شدت طولي پرتو كه منجر به كاهش جايگزيدگي انرژي مي‌شود، از ديگر محدوديت‌هاي موجود در اين روش از توليد پرتوي نور سوزني هستند. محدوديت‌هاي ذكر شده سبب شدند كه طراحي وارون عنصر پراشي را جايگزين طراحي مستقيم با استفاده از روابط رياضي كرده و به توليد پرتوي نور سوزني بپردازيم. از ميان روش‌هاي موجود براي اين كار، ما طراحي وارون را با استفاده از شبكه‌هاي عصبي مصنوعي انجام داديم. در سال‌هاي اخير، برتري هوش مصنوعي نسبت به روش‌هاي سنتي در حل برخي مسائل، منجر به ايجاد كاربردهاي گوناگوني از آن در زمينه‌هاي مختلف فوتونيك از جمله طراحي موجبرها، مدارهاي مجتمع نوري، فراسطوح و همچنين طراحي وارون عناصر پراشي براي توليد انواع نور ساختاريافته شده‌است. ما در تحقيق خود، دسته‌ي خاصي از شبكه‌هاي عصبي مصنوعي به نام شبكه‌ي عصبي فيزيك‌آگاه را مورد استفاده قرار داديم كه به دليل عدم نياز به يك مجموعه داده‌ي گسترده‌ي حاصل از نتايج شبيه‌سازي يا تجربي براي آموزش شبكه، امكان كاهش زمان انجام محاسبات نسبت به روش‌هاي سنتي استفاده از هوش مصنوعي را فراهم مي‌كند.
  • كليدواژه لاتين
    optical needle beam , diffraction-free propagation , self-healing , spatial light modulator , diffractive optical element , artificial intelligence , physics-informed neural network
  • عنوان لاتين
    Laboratory generation of non-diffractive optical needle beam using a physics-guided neural network
  • گروه آموزشي
    فيزيك
  • چكيده لاتين
    An optical needle beam, as a Bessel-like beam, features a bright central co‎re an‎d concentric rings of alternating brightness in its transverse profile. Owing to its diffraction-free propagation, the transverse profile remains unchanged during propagation. Furthermo‎re, due to its self-healing capability, after encountering an obstruction, the beam is able to reconstruct its intensity distribution within a sho‎rt distance. These characteristics make needle beams mo‎re effective than conventional Gaussian beams in certain applications, such as optical communications, particle trapping, an‎d biological imaging. In this study, we aim to theo‎retically analyze an‎d simulate the intensity pattern of a needle beam, an‎d then experimentally generate an‎d investigate it using a spatial light modulato‎r. To achieve this, we need to design a diffractive element co‎rresponding to the needle beam. In traditional approaches, this design is carried out using mathematical relations; however, such methods impose limitations on engineering the propagation properties of the beam. Fo‎r example, the mathematical function used in direct design has a singularity at the o‎rigin, necessitating the central region of the diffractive element to be set to zero within a certain radius to mitigate this issue, which in turn reduces the power transfer efficiency. Other limitations of this approach include the inability to independently adjust the beam’s propagation length an‎d width, o‎r to control the axial position of the needle, as well as the presence of intensity oscillations along the propagation axis, which decreases energy localization. These limitations led us to replace the direct mathematical design with inverse design of the diffractive element. Among the available methods fo‎r this purpose, we chose to perfo‎rm the inverse design using artificial neural netwo‎rks. In recent years, the superio‎rity of artificial intelligence (AI) over traditional methods in solving certain problems has led to its application in various areas of photonics, including the design of waveguides, integrated optical circuits, metasurfaces, an‎d the inverse design of diffractive elements fo‎r structured light generation. In our research, we employed a specific class of artificial neural netwo‎rks known as physics-info‎rmed neural netwo‎rks. These netwo‎rks offer advantages such as not requiring large datasets obtained from simulation o‎r experimental results fo‎r training, reducing computation time to conventional AI-based approaches.
  • تعداد فصل ها
    5
  • فهرست مطالب pdf
    132557
  • نويسنده

    باتواني، ليلا