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宽带光栅耦合器的逆向设计与验证
摘要： 我们提出一种基于梯度优化的策略来设计宽带光栅耦合器。采用该方法可在优化过程中达到并常常超越用户指定的目标带宽。针对220纳米绝缘体上硅材料的设计方案，能在保持中心耦合效率介于-3.0分贝至-5.4分贝（具体取决于部分刻蚀比例）的同时，实现超过100纳米的3分贝带宽。我们制备了其中部分结构，并通过实验验证了具有超过120纳米3分贝带宽的光栅。这种逆向设计方法提供了灵活的设计范式，无需对光栅几何结构施加约束即可创建宽带光栅耦合器。
关键词： 逆向设计、优化、宽带、光纤封装、光栅耦合器
更新于2025-09-23 15:23:52
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基于第一性原理的介电材料反演设计方法
摘要： 第一性原理是计算材料性能的有效方法?；诘谝恍栽淼慕榈绮牧夏嫦蛏杓扑悸繁惶岢?。在这种材料设计思想中，材料特定的介电性能需求是整个设计过程的起点。通过基于第一性原理的逆向模型求解材料的原子结构特征。并讨论了需要研究的关键问题：电磁场与光场的量子化结构、介电材料的量子化极化理论、介电性能的统一计算方法以及介电材料逆向模型。
关键词： 电介质材料，第一性原理，介电性能，逆向设计
更新于2025-09-23 15:23:52
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基于拓扑优化的等离子体纳米二聚体最大近场增强逆向设计
摘要： 近场增强因子是评估等离子体纳米结构性能的最关键参数之一。为最大化该增强因子，研究者通过优化圆盘、三角形和棒状等简单几何形状金属纳米结构的尺寸、形貌及空间排布做出了诸多努力。本研究采用拓扑优化方法逆向设计金属纳米粒子二聚体，旨在优化其亚10纳米间隙内的近场增强因子。通过在给定设计空间内优化材料布局，拓扑优化算法生成了由具有凸凹特征的心形粒子构成的等离子体纳米二聚体。全波电磁分析表明，心形纳米粒子二聚体的最大近场增强源于纳米心形顶端表面电荷的最高浓度聚集。研究团队采用"绘制剥离"策略的聚焦氦离子束铣削技术，制备了逆向设计的心形、蝴蝶结形和圆盘形纳米二聚体，并通过单粒子水平的非线性光谱技术表征其近场增强性能。实验证实，心形纳米二聚体展现出比其他两种结构更强的信号强度。本工作验证了基于拓扑优化的逆向设计在实现目标等离子体功能方面的有效性和可行性。
关键词： 拓扑优化、近场增强、等离子体纳米结构、逆向设计、非线性光学
更新于2025-09-23 15:21:01
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深度学习赋能的纳米光子学逆向设计
摘要： 深度学习已成为人工智能领域解决复杂数据驱动问题的主导方法。该方法最初几乎仅应用于计算机科学领域（如图像分析和自然语言处理），如今已迅速拓展至物理、化学和材料科学等众多科学领域。最近，深度神经网络被引入纳米光子学领域，成为获取任意纳米光子结构拓扑与成分及其相关功能特性之间非线性映射关系的强大工具。本文讨论了深度学习在纳米光子器件逆向设计中的最新研究进展，重点聚焦监督学习、无监督学习和强化学习这三种现有范式。同时探讨了深度学习正向建模（即人工智能如何学习求解麦克斯韦方程组）问题，并对该快速发展的研究领域进行了展望。
关键词： 正向建模、逆向设计、纳米光子学、人工智能、超材料、机器学习
更新于2025-09-23 15:19:57
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基于机器学习逆向设计的三维矢量全息术
摘要： 光的电磁波三维（3D）矢量特性不仅在科学领域具有基础性作用，更推动了光学显示、显微成像及光操控等颠覆性应用的发展。然而传统光学全息术仅能处理光束的振幅与相位信息，完全无法触及光的三维矢量特征。我们展示了一种基于多层感知器人工神经网络的机器学习逆向设计方法，可精确重建波前上任意三维矢量场分布，实现三维矢量全息术。该技术无需透镜即可重建三维矢量全息图像，具备94°超宽视角和78%高衍射效率——这对悬浮显示至关重要。研究成果开创了利用光矢量特性的人工智能全息新范式，为显示与加密领域中的全息三维矢量场复用提供了全新机器学习策略。
关键词： 操控、显微镜技术、人工神经网络、逆向设计、光学显示、机器学习、三维矢量全息术
更新于2025-09-23 15:19:57
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中红外石墨烯等离激元的逆向设计深度学习方法
摘要： 我们从理论上研究了中红外石墨烯基超材料的等离激元特性，并应用神经网络的深度学习进行逆向设计。这些人工结构由沉积在介质薄膜上的方形周期性石墨烯等离激元谐振器阵列构成。光学光谱随结构参数变化而显著改变。为验证理论方法，我们进行了时域有限差分模拟，并将计算结果与理论计算进行对比。理论预测、模拟结果与先前实验之间良好的定量一致性，使我们能够利用该理论模型生成可靠数据来训练和测试深度神经网络。通过将预训练神经网络与逆向网络相结合，我们实现了石墨烯基超材料的逆向设计计算。同时我们也讨论了数据驱动方法的局限性。
关键词： 逆向设计、等离子体学、深度学习、石墨烯、超材料
更新于2025-09-23 15:19:57
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[IEEE 2019年国际光电器件数值模拟会议(NUSOD) - 加拿大安大略省渥太华(2019.7.8-2019.7.12)] 2019年国际光电器件数值模拟会议(NUSOD) - 等离子体中的深度学习与逆向设计
摘要： 激光脉冲通过在贵金属表面诱导纳米颗粒来为其着色。这些颜色与激光参数和纳米颗粒几何形态相关。我们运用深度学习技术，直接根据激光参数组或纳米颗粒分布预测颜色。同时提出一种基于深度学习的逆向设计新方法，可根据目标颜色反推出合适的激光参数或纳米颗粒分布。
关键词： 逆向设计、等离子体颜色、FDTD、深度学习
更新于2025-09-19 17:13:59
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光子能带、超手性及手性最小超表面的逆向设计
摘要： 光子能带结构是周期性光学结构的典型特征指纹，通常通过透射、反射和吸收等光谱量观测到。本研究展示了一种由介质板中非中心对称L形孔阵列构成的超表面，其手性光学响应呈现能带结构——其中本征与外禀手性效应清晰可辨，并分别与局域共振和非局域共振相关联。对应这些共振可激发超手性近场，并出现随入射偏振变化的异常行为。此外，我们采用奇异值分解(SVD)方法证明上述效应与SVD光谱的特定特征相关。最后通过逆向设计技术证实：基于L形孔阵列的超表面是最简结构——其晶胞几何仅需最少参数即可实现符合二维手性结构普适对称性的任意透射矩阵。这些发现为无损光子环境中的高效波操作提供了新途径。
关键词： 手性、偏振、逆向设计、超表面
更新于2025-09-16 10:30:52
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[2019年德国慕尼黑国际激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 2019.6.23-2019.6.27] 2019年欧洲激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 结合波前匹配方法与梯度下降算法的轨道角动量模式解复用器逆向设计
摘要： 空间模式解复用器是模分复用通信系统中的关键组件，其需要具备高功率效率和低串扰的优势。研究表明，通过一系列相位掩模的自由空间传播组合可实现任意空间模式的酉变换，核心在于逆向设计每个相位掩模的相位分布。其中一种逆向方法是基于波前匹配法，该方法应用于多平面光转换(MPLC)技术，能有效优化所得模式与目标模式间的重叠积分。但该方法缺乏目标函数，无法实现特定优化。另一种基于梯度下降算法的方法虽在选择目标函数上更灵活，但在最大化重叠积分性能方面逊于波前匹配法。本研究通过结合波前匹配法与梯度下降算法，逆向设计出高效轨道角动量(OAM)解复用器：首先采用波前匹配法优化所有相位掩模直至收敛；随后将相邻串扰设为目标函数组成部分，运用梯度下降算法进一步优化解复用性能。由于目标函数已接近局部极小值，后续梯度下降过程仅需数次迭代即可收敛。为验证该方案，我们演示了方位角拓扑荷l=-3至l=3的OAM模式向位移高斯模式的转换，其输入输出模式配置及相位掩模数量与位置均参照螺旋变换方案确定。通过上述方法组合设计出仅需3个相位掩模即可分选7种纯涡旋模式的OAM解复用器，其相位分布与螺旋变换方案高度相似（特别是第三个类椭圆透镜的第三相位掩模）。该器件最大插入损耗为-0.2 dB，最大串扰达-21.1 dB，在波前匹配后经梯度下降优化使最大串扰改善达5.6 dB。
关键词： 梯度下降算法、模式解复用器、逆向设计、波前匹配方法、轨道角动量
更新于2025-09-16 10:30:52
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非线性纳米光子器件的伴随方法与逆向设计
摘要： 逆向设计的发展——即利用计算优化技术根据特定规格设计器件——催生了许多具有卓越性能的紧凑型非直观结构。在各类方法中，基于梯度的大规模优化技术已成为设计含大量自由度结构的最重要手段之一。这些技术的实现依托伴随方法：仅需两次全场仿真即可计算目标函数相对于所有设计自由度的梯度。但该方法迄今主要应用于线性光子器件。本文将该方法拓展至频域非线性器件建模，将非线性响应直接纳入梯度计算。作为示例，我们运用该方法在克尔非线性材料中设计了紧凑型光子开关，能将低功率与高功率脉冲导向不同方向。该技术有望推动新型紧凑型非线性光子器件的开发。
关键词： 纳米光子学、逆向设计、集成光子学、光开关、非线性光学
更新于2025-09-10 09:29:36