导读
随着超构光学的快速发展，多参量光场调控的复杂性不断提升，传统设计方法在处理复杂多参量光学响应的耦合关系时面临极大挑战，并且目前尚没有一个通用的多功能设计范式和算法架构。
近日，湖南大学段辉高教授、胡跃强教授团队联合新加坡国立大学仇成伟教授团队提出了一种神经网络辅助的全光场调控超构光学端到端设计架构，该架构可实现从全参量调控（振幅、相位、偏振、波长）的功能目标需求快速生成超构光学元件结构参数。并且，该方法相比于传统正向设计器件性能更优异且可突破多功能通道的限制，工作展示了正交偏振-多波长-多深度复用的全息显示以及非正交任意偏振-光谱多信息处理应用，该架构提供了多功能超构光学元件定制设计的通用范式，也为计算超构光学及光电混合器件的未来发展奠定了基础。
相关成果以“Neural Network-Assisted End-to-End Design for Full Light Field Control of Meta-Optics”为题发表于Advanced Materials期刊。湖南大学博士生池汉彬和胡跃强教授为论文的共同第一作者，湖南大学胡跃强教授、段辉高教授及新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和湖南省科技厅相关项目的支持。
研究背景
多参量光场调控是实现先进光学功能的关键，而传统方法依赖级联体积庞大的折射元件，制约了小型化多功能光学器件的发展。超构光学凭借其独特的光-物质相互作用机制和广阔设计自由度，为多参量光场调控的小型化器件提供了强大工具。但由于不同波长间的相互依赖性使得光学响应需求极为复杂，传统空间复用设计面临空间分辨率低和串扰严重等挑战。
当前，算法驱动的超构光学设计已成为研究热点。然而，现有方法仍局限于少数偏振和波长功能，且缺乏全局优化和快速收敛能力。如图1所示，多偏振多波长超构光学的传统设计策略主要包括原子级逆向设计（图1a）和系统级分离式设计（图1b）。前者主要用于优化周期性超构单元，仅满足1D光谱曲线需求，难以适应空间光场调控；后者则采用多步骤方法设计非周期性超构光学，尽管具备一定的多功能性，但易引入局部误差，导致性能瓶颈，且仍局限于双偏振和少数波长功能。因此，亟需开发一种系统级端到端（E2E）设计架构（图1c），实现全光场调控超构光学，同时兼顾全局优化、快速收敛和制造简化。
图1：多偏振多波长超构光学设计策略的对比。a）原子级设计；b）系统级分离设计；c）系统级端到端设计
全光场调控超构光学E2E设计架构
本研究提出了一种基于多算法融合的全光场调控超构光学E2E设计架构（图2a）。该架构通过构建可微分的超构光学正向求解器，结合神经网络辅助的色散全参数琼斯矩阵和傅里叶衍射传播，快速预测超构单元的几何参数对不同波长和偏振态的光学响应。神经网络通过学习FDTD仿真数据生成高精度的连续相位和振幅响应（图2b,2c），确保正向求解器的准确性和可微分性。基于此，该架构可利用自动微分技术计算梯度信息，并结合梯度下降优化算法，不断迭代优化超构光学器件的几何布局，直至收敛至全光场调控的目标光场（图2a）。该E2E设计架构具备快速收敛和全局优化的优势，能够有效提升设计效率，避免局部优化带来的性能损失，实现高性能全光场调控超构光学器件的系统级优化。
图2：全光场调控超构光学E2E设计架构
超越传统设计，显著增强超构光学的性能
为验证E2E设计在超构光学性能提升方面的优势，将其与分离式设计进行对比。针对双偏振多波长全息复用（图3a），随着波长通道数量的增加，E2E设计的RMSE值整体低于分离式设计（图3b），且重构全息图像轮廓清晰可见（图3c，3d）。进一步以三波长彩色全息进行实验验证，分离式设计由于无法在所有波长下实现完整的0-2π相位调制，导致匹配误差较大（图3e）。相比之下，E2E设计以图像质量为目标，直接优化超构光学器件的几何布局，从而有效避免中间匹配误差。实验测量结果（图3g,3h）表明，E2E设计的全息图像在X和Y偏振通道的PSNR值分别提升了4.26 dB和2.84 dB，而SSIM值分别提高了6.46倍和5.78倍，充分证明E2E设计在偏振-波长复用全息中的卓越性能。
图3：端到端设计在超构光学性能增强方面的验证
突破通道限制的正交偏振多波长多深度复用全息
为展示E2E设计在突破通道耦合限制方面的能力，通过引入旋转角度形成色散全参量琼斯矩阵，充分利用矩形超构单元的全部设计自由度，实现了正交三偏振-多波长-多深度复用（图4a）。传统分离设计难以实现如此复杂功能，而E2E设计通过自动优化超构光学器件的几何布局，仿真实现了27通道复用全息，其图像质量高且串扰可忽略（图4b）。在实验验证中，选择其中9通道进行彩色3D全息的演示，并在优化过程中引入噪声分布，从而降低全息图像的PSNR值对形状误差的敏感度，极大地增强了器件的鲁棒性（图4c）。制备的超构光学器件（图4d）在不同的入射与出射偏振组合下，能够在不同的深度平面生成对应的彩色图像：“彩虹”、“花朵”和“气球”（图4e-g）。E2E设计突破了偏振和波长通道之间的耦合关系对复用通道的限制，极大拓展了超构光学多通道复用的上限。
图4：突破通道限制的正交偏振多波长深度复用全息验证
非正交任意偏振光谱多信息处理的应用拓展
针对实际场景中复杂的矢量多色光场（图5a），E2E设计通过叠加任意偏振分量并考虑其色散特性，直接优化出超构光学器件的几何布局，仿真实现18通道全息复用（6个任意偏振态×3波长）。实验验证中，制备了任意偏振多波长全息器件，能够在不同空间位置显示阿拉伯数字“1”至“6”，每个数字对应特定偏振态和波长（图5c），验证了该器件的多信息显示能力。在多信息探测与成像方面，设计了多焦点超透镜（图5d），其光谱分光效率曲线（图5e）在目标波长处强度峰值显著，验证了其光谱检测能力。同时，偏振对比度曲线（图5f）随着入射偏振态的变化在-1至1之间分布，表明其具备良好的偏振探测能力。进一步的分辨率测试（图5g）显示，该器件在成像过程中无明显串扰，进一步证明了其在非相干偏振-光谱复用成像方面的应用潜力。
图5：非正交任意偏振光谱多信息处理的显示和成像应用
总结与展望
本研究开发了神经网络辅助的端到端（E2E）设计架构，通过构建几何参数与多参量光学响应场之间的可微分联系，利用梯度信息直接优化超构光学的几何布局，实现了高性能、功能多样且制造可靠的全光场调控器件。实验验证表明，该架构在双偏振多波长全息中显著提升图像质量，并突破通道限制，实现了正交三偏振多波长-深度复用的彩色3D全息。此外，进一步验证了非正交任意偏振-光谱信息处理能力在全息显示和探测成像方面的可行性。进一步考虑非预定功能，可实现高精度的多任务并行分类器，展现在智能化应用中的巨大潜力。
未来，定制化全光场调控能力可为全光计算和高维传感等前沿技术提供新解决方案。此外，该架构的可微分特性使其能够无缝融合深度学习训练，有望促进超构光学与人工智能（AI）在计算光学和光电混合网络领域的协同优化。总体而言，本研究提出的系统级E2E设计架构，为多参量复杂光场调控设立了新标准，推动了高性能超构光学器件在多功能集成的先进光学系统中的应用，为未来光学科技的发展开辟了新的可能。
论文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202419621
