一种多功能涡旋光生成器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能涡旋光生成器的设计方法，基于光学需求，通过深度神经网络反向设计超构表面的纳米结构，在超构表面的反射光中获得多功能涡旋光。该方法设计灵活，可以根据所需波长、偏振态和拓扑荷，快速完成超构表面的设计，生成所需多功能涡旋光。相较于单一功能的涡旋光生成器，本发明专利技术方法借助深度学习实现了单个器件的多功能集成，利于开发涡旋光潜在的无穷维希尔伯特空间，大大促进涡旋光在信息光学领域的应用，推动涡旋光在光子芯片和量子光学等前沿领域的应用。相较于传统的反向设计方法，本发明专利技术方法可以在短时间内生成大量的多功能涡旋光，极大减少了计算资源和计算时间的消耗，打开了将涡旋光的优势特性开发到最大程度的可能性。最大程度的可能性。最大程度的可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能涡旋光生成器的设计方法


[0001]本专利技术涉及利用深度神经网络设计生成多功能涡旋光的方法，具体涉及一种依据生成涡旋光的光学需求，利用反向神经网络设计满足特定多功能需求的纳米结构，完成多功能涡旋光生成器设计的方法。

技术介绍

[0002]涡旋光是一种沿着传播轴线螺旋转动的光束，它的特征是螺旋状的相位波前和位于光束中心的相位奇点暗斑。涡旋光可以由回音壁腔、螺旋相位盘、叉状光栅、人工超构表面等方法生成。光涡旋的应用已取得可观的进展，例如光镊、超分辨成像、光学复用和光学通讯。光涡旋能够操纵大容量光学信息，因此在高敏感度传感和量子通讯等问题上具有极大的应用潜能。这些具有前景的优势起源于光涡旋独特的物理特性。作为一种关键的特性，轨道角动量(OAM)提供了操纵光的无穷多的自由度。拓扑荷是描述涡旋光绕相位奇点的螺旋性的物理量，拓扑荷的无穷个取值构成了无穷维希尔伯特空间。基于此，涡旋光提供了一种前所未有的敏感的信息操纵平台。为了实现出色的调制，高容量和大范围的调制对于携带OAM的涡旋光是必要的。因此，携带独立拓扑荷多功能涡旋光在应用中是高度需要的。
[0003]通过适当地设计纳米结构，超构表面能够出于强大的调制光的能力而实现多种操纵光的功能。超构表面由大量不同的纳米结构构成，并且每一个结构都被设计成能够实现某种功能。巨大的复杂度给以扫描几何参数并做大量模拟以得到合适结构的传统反向结构设计带来了极大困难。为了克服这种反向设计的困难，深度学习被引入纳米光子学，提供了打破光谱预测、结构设计和器件优化的瓶颈的机会。作为一个有代表性的人工智能算法，深度神经网络可以避免求解复杂的麦克斯韦方程组而快速求解复杂的光学系统。它能自发探索有用的信息并在光学响应和几何结构之间建立联系。因此，基于输入的目标光学响应，深度神经网络可以高效生成一个合适的纳米结构。它能在复杂的光学需求下处理大量纳米结构，并且需要更少的计算资源和可忽略不计的计算时间。所以，深度神经网络是一种可以满足多功能涡旋光生成的巨大设计需求的恰当方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种多功能涡旋光生成器的设计方法，可以基于光学需求，通过深度神经网络反向设计超构表面的纳米结构，在超构表面的反射光中获得多功能涡旋光。本专利技术的方法设计灵活，可以根据所需波长、偏振态和拓扑荷，快速完成超构表面的设计，生成所需多功能涡旋光。
[0005]本专利技术方法通过深度神经网络，实现了多功能涡旋光生成器的智能设计。在一些实施例中，通过金属V形天线，纳米结构与不同偏振态之间的相互作用被独立调制以获得多种光学响应。根据拓扑荷需求，深度神经网络快速地生成每个纳米结构以实现光波某位置的一个特定相位。大量不同的纳米结构在一瞬间被生成，构成了功能型超构表面。因此，本专利技术方法可以实现任意的多功能涡旋光。本专利技术方法实现了高效生成多功能涡旋光，打开
了将涡旋光的优势特性开发到最大程度的可能性。本专利技术方法对涡旋光的实际应用，例如光学芯片和量子通讯等领域，提供了一种普适性的方案。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种多功能涡旋光生成器的设计方法，所述多功能涡旋光生成器是由大量不同的纳米结构组成的超构表面，该超构表面的设计包括以下步骤：
[0008]1)根据所需生成涡旋光的工作波长，结合器件制备工艺，确定涡旋光生成器的整体尺寸、组成单元的单元周期以及纳米结构的最小尺寸，并根据上述条件确定生成纳米结构的几何约束条件，完成纳米结构的参数化；
[0009]2)根据多功能涡旋光生成器的功能确定不同偏振通道涡旋光的偏振态与拓扑荷，进一步完成多功能涡旋光生成器所对应的相位剖面设计，而后根据不同偏振通道涡旋光对应的相位剖面，确定超构表面不同位置处纳米结构所需要满足的光学性质；
[0010]3)通过深度神经网络构造人工智能算法平台，而后利用此算法平台寻找到步骤2)中所需具有特定光学性质的纳米结构，完成超构表面设计；
[0011]4)利用步骤3)中构建的算法平台获得超构表面的光学响应数据，评估器件性能。
[0012]上述步骤1)中，由于纳米结构可以在亚波长尺度与光发生相互作用，进而对光的相位与振幅发生调制，因而组成单元的单元周期应设置在亚波长尺度。纳米结构的最小尺寸通常由器件制备工艺所限制，通常加工线宽可设置为30nm左右。所述纳米结构的参数化，是指可用一组结构参数，去描述结构的几何形状。例如，对于V形纳米结构，其几何结构被参数化为4个量(w1,w2,a,b)，其中：w1、w2为组成V形的两个纳米棒的长度，a为两个纳米棒夹角的角平分线的方位角，b为两个纳米棒的夹角。
[0013]上述步骤2)中多功能涡旋光生成器所对应的相位剖面设计，是指依据不同偏振通道涡旋光的偏振态、拓扑荷、生成器的尺寸以及单元结构周期，计算得到超构表面不同位置处纳米结构所具有的光学性质。由于多功能涡旋光生成器可在多个不同的偏振通道下生成多种含有不同拓扑荷的涡旋光，因而纳米结构的光学性质需要同时满足不同偏振通道所对应反射光的相位。
[0014]上述步骤3)所述的人工智能算法平台，是由一个正向神经网络和反向神经网络构成，其中正向神经网络可根据纳米结构的几何参数预测其具有的光学性质，而反向神经网络则可根据纳米结构所需具有的光学性质反向生成满足条件的结构几何参数。
[0015]上述步骤4)利用算法平台评估器件性能，是指对于反向神经网络设计的纳米结构，正向神经网络可快速预测其相位和振幅。预测的相位可与目标相位比对，验证所需的相位剖面，确定是否满足设计预期。而振幅则可评估器件的工作效率，即生成涡旋光的强度信息。
[0016]进一步的，上述步骤2)中所述的不同偏振通道，是指在不同偏振入射光入射下，所设计的超构表面可以通过偏振依赖的相互作用，使得反射光具有的偏振态与相位发生改变。简而言之，多功能涡旋光生成器可根据入射光的偏振态来切换生成涡旋光的偏振以及拓扑荷等信息。为减小入射光的噪音串扰，入射偏振态一般与出射偏振态正交。并且，不同功能下的入射偏振应尽量彼此正交或均匀分布以避免串扰，例如双通道可选取左旋(LCP)和右旋(RCP)，三通道则可选取0
°
、120
°
和240
°
三个线偏振等。
[0017]进一步的，上述步骤3)构造的人工智能算法平台的工作流主要包括数据集构建、
正向神经网络与反向神经网络训练、超构表面设计以及器件性能评估四个部分。
[0018]其中数据集构建过程中，可随机生成纳米结构的几何参数，并通过时域有限差分(FDTD)方法进行数值模拟，获取纳米结构对应的光学响应数据。其中所述光学响应包括工作波长下复用偏振态对应反射光的振幅与相位数据。光学响应数据与纳米结构的几何参数数据共同组成数据集。数据集的规模会影响神经网络的训练效果，数据集过少可能导致欠拟合，降低网络性能，而数据集过大会消耗更多的计算资源。通常数据集规模在数千到数万，即可满足神经网络的训练需求。而后通过数据集训练正向神经网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能涡旋光生成器的设计方法，所述多功能涡旋光生成器是由大量不同的纳米结构组成的超构表面，该超构表面的设计包括以下步骤：1)根据所需生成涡旋光的工作波长，结合器件制备工艺，确定涡旋光生成器的整体尺寸、组成单元的单元周期以及纳米结构的最小尺寸，并根据上述条件确定生成纳米结构的几何约束条件，完成纳米结构的参数化；2)根据多功能涡旋光生成器的功能确定不同偏振通道涡旋光的偏振态与拓扑荷，进一步完成多功能涡旋光生成器所对应的相位剖面设计，而后根据不同偏振通道涡旋光对应的相位剖面，确定超构表面不同位置处纳米结构所需要满足的光学性质；3)通过深度神经网络构造人工智能算法平台，而后利用此算法平台寻找到步骤2)中所需具有特定光学性质的纳米结构，完成超构表面设计；4)利用步骤3)中构建的算法平台获得超构表面的光学响应数据，评估器件性能。2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤1)中所述组成单元的单元周期设置在亚波长尺度，所述纳米结构的参数化是用一组结构参数描述其几何形状。3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤1)中所述纳米结构为V形纳米结构，其几何结构被参数化为4个量(w1,w2,a,b)，其中：w1,w2为组成V形的两个纳米棒的长度，a为两个纳米棒夹角的角平分线的方位角，b为两个纳米棒的夹角。4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述多功能涡旋光生成器可在多个不同的偏振通道下生成多种含有不同拓扑荷的涡旋光，步骤2)中组成超构表面的纳米结构的光学性质需要同时满足不同偏振通道所对应反射光的相位。5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤3)中所述人工智能算法平台是由正向神经网络和反向神经网络构成，其中正向神经网络根据纳米结构的几何参数预测其具有的光学性质，而反向神...

【专利技术属性】
技术研发人员：方哲宇，彭璞，刘正昌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：