К 80-летию НИЯУ МИФИ: Из истории исследований в области оптической обработки информации

80-летие университета – повод вспомнить о его истории и достижениях. Наш университет славен не только специалистами по ядерной энергетике, в его стенах проходят исследования во многих других областях, и среди них – в сфере оптики и оптической обработки информации.

В лаборатории. Система записи цифровых голограмм фазовых объектов с использованием набора пространственно-временных модуляторов света.

В начале славных дел

Исследования в области оптической обработки информации в МИФИ начались в первой половине 1970-х годов на кафедре физики твердого тела, в те времена возглавляемой своим основателем, профессором Юрием Быковским. Главной предпосылкой для начала этих исследований стало появление лазера (не будем забывать, что один из создателей лазера, лауреат нобелевской премии Николай Басов был выпускником и сотрудником МИФИ).

Уникальные физические свойства лазерного излучения, особенно его когерентность, позволяли уже в то время надеяться, что свет может стать важнейшим носителем информации, таким же, как радиосигнал или электрический ток в проводах, и что на основе оптики удастся создать эффективные системы обработки информации – в частности с использованием голографии, являющейся самой информационно ёмкой формой изображений. Исследования на эту тему тогда активно начинались во всём мире, и в МИФИ была создана голографическая лаборатория под фактическим руководством Анатолия Маркилова, впоследствии – заведующего той же кафедрой.

Первым важнейшим практическим достижением лаборатории стало создание системы идентификации треков частиц. Эта система смогла серьезным образом облегчить жизнь коллегам – ядерным физикам. В экспериментах в сфере исследования элементарных частиц их траектории часто фиксируются на фотопластинках; таких пластинок по итогам экспериментов может оказаться многие сотни штук, и их в то время приходилось сортировать вручную. Система, созданная в лаборатории Анатолием Маркиловым и Сергеем Стариковым, позволяла автоматизировать обработку фотопластинок с треками благодаря сравнению их с эталонным голографическим изображением. Первая публикация на эту тему в СССР вышла в 1975 году, в то время как публикации об аналогичных зарубежных практических разработках появились только двумя годами позже. Создатели системы были награждены престижной в СССР премией Ленинского комсомола. Принцип, применённый в данной системе, впоследствии нашел также ряд других практических приложений.

В дальнейшем в той же лаборатории исследовались вопросы, связанные с фундаментальными проблемами пространственной модуляции света и голографической записи световых распределений в оптических информационных системах. Одна из этих идей – замена в оптических системах обработки информации когерентного излучения лазера на излучение с ограниченной и управляемой степенью когерентности, в том числе даже на немонохроматический свет. Это позволило бы, например, интегрировать средства голографической обработки информации непосредственно в оптические системы получения изображений. Реализация таких идей, до сих пор не нашедших широкого практического воплощения, зависит от прогресса технических средств и, по мнению учёных, – задача будущего, открывающая перспективы создания принципиально новых оптических и фотонных устройств.

Вторая лаборатория

Параллельно, в конце 1980-х годов, в МИФИ на кафедре лазерной физики, возглавляемой тогда Николаем Басовым, было создано еще одно подразделение – лаборатория оптической обработки информации. Её создателем и руководителем стал Николай Евтихиев, выпускник кафедры физики твердого тела МИФИ, в то время заместитель директора по науке одного из отраслевых НИИ, а ныне заведующий кафедрой лазерной физики НИЯУ МИФИ. Эта лаборатория занялась широким кругом задач, связанных с оптическими вычислениями и специализированными оптическими процессорами для обработки радиосигналов и изображений. В частности, на рубеже 1980-1990-х годов сотрудники лаборатории участвовали в ряде исследований по реализации сверхширокополосной модуляции излучения полупроводниковых лазеров, а также акустооптических и электрооптических методов для применения в системах оптической обработки радиосигналов. Идеология этих исследований во многом формировалась при непосредственном участии одного из основоположников отечественной микроволновой фотоники, члена-корреспондента АН СССР Льва Бахраха. В 90-е годы в лаборатории проводились одни из первых в России работ по исследованию возможностей миниатюризации оптических систем обработки информации и поиску путей реализации нейроподобных вычислений в оптике.

Тогда же, в девяностые, в лаборатории Анатолия Маркилова занялись проблемами формирования и детектирования пространственных световых распределений – решение данных проблем необходимо для проектирования и характеризации практически любых сложных оптических систем, в которых, например, требуется сложить в один поток сразу много лучей лазера, перераспределить энергию света в пространстве по определённому закону, зарегистрировать высокоинформативный световой сигнал при измерениях.

Стоит отметить, что идея оптического компьютера, который может превзойти по своим возможностям электронную цифровую технику, в последние полвека регулярно рождалась, умирала и опять возрождалась. Создание систем вычислений на основе оптических процессов казалось в последние десятилетия то более, то менее перспективным в зависимости от того, с какой скоростью развивалась цифровая электроника. На сегодня же практика доказала, что дальнейшее развитие систем обработки информации идёт по пути интеграции оптики с электроникой.

Слияние

Объединение двух оптических лабораторий под эгидой кафедры лазерной физики Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ произошло в 2019 году. Сегодня это лаборатория фотоники и оптической обработки информации, профессор Николай Евтихиев является её научным руководителем, а доктор физико-математических наук Ростислав Стариков – заведующим. Лаборатория решает широкий спектр научных проблем. В частности, тут ведутся исследования в сферах цифровой и компьютерной голографии, современных методов модуляции света и прецизионного детектирования световых распределений, разрабатываются методы создания и характеризации оптико-цифровых систем и систем микроволновой фотоники. Такие исследования необходимы при построении новейших средств предназначенных для формирования, преобразования и распознавания изображений, кодирования изображений и цифровых данных, а также при построении систем голографического видео, некогерентных голографических систем, оптико-цифровых измерительных систем, фотонных систем передачи и обработки радиосигналов.

Этими зачастую тесно взаимосвязанными вопросами занимаются сотрудники лаборатории: доктор физико-математических наук Евгений Злоказов, старший научный сотрудник Владислав Родин, молодые кандидаты физико-математических наук Анна Шифрина, Екатерина Савченкова, Елизавета Петрова, Павел Черёмхин, инженер Всеволод Небавский, а также аспиранты и студенты-дипломники.

Исследования продолжаются

Одна из очень важных практических задач, которые сегодня успешно решаются в лаборатории, находится на стыке оптики и радиоэлектроники. Применение методов и средств микроволновой фотоники (в России иногда используют термин «радиофотоника») позволяет создавать средства обработки широкополосных и сверхширокополосных радиосигналов с подчас принципиально недостижимыми для электроники характеристиками. Некоторое время назад в лаборатории под руководством Ростислава Старикова была разработана и создана оптическая часть фотонной системы аналого-цифровой обработки радиосигналов. Данная система в составе первого в России и одного из первых в мире экспериментального образца радиотехнического устройства Х-диапазона, использующего элементы микроволновой фотоники и созданного в кооперации ведущих отечественных разработчиков, успешно прошла натурные испытания и продемонстрировала преимущества по ряду характеристик по сравнению с известными аналогами. В настоящий момент технологии микроволновой фотоники активно развиваются в направлении реализации систем в виде фотонных интегральных схем.

И, наконец, одно из самых новых и перспективных направлений исследований лаборатории – интеграция в оптические системы нейросетевых методов и подходов. Так, недавно аспирантом Дмитрием Рымовым в соавторстве с другими сотрудниками лаборатории продемонстрированы интересные возможности применения нейронных сетей глубокого обучения при решении задач голографии. Специалисты уверены, что речь в ближайшем будущем вполне может пойти и об оптической реализации самих нейронных систем, то есть в известной мере о создании оптической модели структур мозга. Безусловно, для решения столь амбициозных задач необходимы «продвинутые» знания и современный практический опыт в различных областях оптики и фотоники.

Напомним, что в этом году на сайте НИЯУ МИФИ уже дважды публиковались сообщения о достижениях лаборатории фотоники и оптической обработки информации – о создании системы кодирования и системы оценки искажений в оптических системах.