物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）李寶軍/包燕軍教授在Nano Letters發(fā)表超構(gòu)表面多維光場(chǎng)復(fù)用領(lǐng)域論文
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）納米光子學(xué)研究院包燕軍教授和李寶軍教授聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授等，在超構(gòu)表面多維光場(chǎng)復(fù)用領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，提出并驗(yàn)證了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效梯度優(yōu)化算法，在顯著提升計(jì)算效率和光學(xué)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了逼近超構(gòu)表面偏振與波長(zhǎng)復(fù)用通道數(shù)的理論極限。該成果以“Efficient Gradient-Based Metasurface Optimization Toward the Limits of Wavelength-Polarization Multiplexing”為題發(fā)表在國(guó)際納米科技期刊Nano Letters。包燕軍教授、李寶軍教授以及新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授為論文共同通訊作者。
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超構(gòu)表面作為能夠精準(zhǔn)調(diào)控光波前的人工微納結(jié)構(gòu)，在成像、全息等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。通過(guò)偏振和波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)集成多種獨(dú)立功能是實(shí)現(xiàn)器件微型化、高性能化的關(guān)鍵，但現(xiàn)有方法難以同時(shí)達(dá)到偏振與波長(zhǎng)復(fù)用的最大容量，且設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算效率低下，制約了其在復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用。
針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于梯度下降的超構(gòu)表面逆設(shè)計(jì)算法，通過(guò)引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精確擬合納米結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與其在不同波長(zhǎng)下光學(xué)響應(yīng)之間的復(fù)雜關(guān)系，打通了從結(jié)構(gòu)參數(shù)到光學(xué)功能的梯度計(jì)算，使整個(gè)優(yōu)化流程變得高效且可導(dǎo)。結(jié)合圖形處理器強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，該算法能夠完成快速的批量梯度計(jì)算和參數(shù)尋優(yōu)，極大地提升了設(shè)計(jì)效率。
基于該高效算法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了偏振和波長(zhǎng)復(fù)用通道數(shù)的理論極限，成功給出了3個(gè)偏振通道與5個(gè)波長(zhǎng)通道（共15個(gè)）的獨(dú)立全息圖像復(fù)用。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該算法不但將設(shè)計(jì)時(shí)間縮短到數(shù)十分之一，而且得到了更高的復(fù)用通道數(shù)和更優(yōu)的光學(xué)性能，特別適合需要處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其應(yīng)用于光學(xué)圖像識(shí)別任務(wù)。利用單個(gè)超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的9個(gè)獨(dú)立通道（3偏振×3波長(zhǎng)）對(duì)總計(jì)36類(lèi)圖像的分類(lèi)識(shí)別，仿真準(zhǔn)確率高達(dá)96%，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到了91.5%，相較于傳統(tǒng)的基于單通道或少數(shù)通道的超構(gòu)表面識(shí)別方案而言，性能提升巨大，為設(shè)計(jì)高容量、多功能超構(gòu)表面提供了強(qiáng)大且高效的工具，也為突破傳統(tǒng)光學(xué)元件的功能限制開(kāi)辟了新途徑。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c01292
責(zé)編：蘇倩怡