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原文標(biāo)題：“AI for optical metasurface”

第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An

超表面的特性與商業(yè)化需求

作為一種由亞波長單元構(gòu)成的二維人造材料陣列結(jié)構(gòu)，超表面能夠憑借特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與排列，實(shí)現(xiàn)對光波相位、振幅和偏振的有效調(diào)控。歷經(jīng)多年發(fā)展，超表面正逐步從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)市場。要達(dá)成這一轉(zhuǎn)變，需要更先進(jìn)準(zhǔn)確的超表面單元設(shè)計(jì)方法，要考慮加工制造過程中的偏差，還需引入特定處理算法以提升光學(xué)性能。那么，超表面怎樣才能 “走進(jìn)千家萬戶” 呢？人工智能給出了一套可行的解決方案。

AI X 超表面（來自原文）

AI 助力超表面單元設(shè)計(jì)突破局限

當(dāng)前，超表面單元設(shè)計(jì)廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設(shè)為基礎(chǔ)。當(dāng)相鄰單元的耦合較弱且相位梯度較小時(shí)，這種方法可以快速設(shè)計(jì)出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設(shè)計(jì)出具有大數(shù)值孔徑和視場角的超表面（Metasurface）或超透鏡（Metalens），而這恰恰是超表面相較于傳統(tǒng)光學(xué)和衍射光學(xué)元件（DOE）的核心優(yōu)勢。

AI與超表面單元設(shè)計(jì)案例（來自原文）

近年來，研究人員提出了幾種新穎的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型，這些模型將相鄰單元的形貌納入輸入范圍，并利用大型數(shù)據(jù)集來識別實(shí)際邊界條件下不同相鄰單元產(chǎn)生的影響。例如，以目標(biāo)單元和與其最相鄰的八個(gè)單元作為輸入，來預(yù)測目標(biāo)單元的響應(yīng)。利用時(shí)域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進(jìn)而輸出高效率的超表面單元結(jié)構(gòu)。

AI 應(yīng)對超表面制造與封裝偏差

在超表面的生產(chǎn)制造與封裝過程中，必然會存在偏差，這是超表面設(shè)計(jì)中無法回避的問題。隨著超表面逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，縮小仿真與制造之間的性能差距成為關(guān)鍵。借助深度學(xué)習(xí)，我們可以在充分考慮制造公差的前提下對超表面進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

AI與超表面制造案例（來自原文）

針對最常見的幾何形狀變形和設(shè)計(jì)布局偏差，研究人員基于深度學(xué)習(xí)開發(fā)了超表面性能預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠評估透過率和衍射效率隨結(jié)構(gòu)變化的趨勢，進(jìn)而找到對變化不敏感的結(jié)構(gòu)（類似于傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中 “公差靈敏度” 低的結(jié)構(gòu)）。此外，還可以基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），篩選出適宜加工的超表面單元。

對于傳統(tǒng)光刻工藝而言，光學(xué)鄰近效應(yīng)校正（OPC）本身就是改善設(shè)計(jì)偏差的重要環(huán)節(jié)。人工智能能夠提供更準(zhǔn)確的掩膜圖案，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜超表面單元結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)投影曝光，降低特征尺寸（CD）的變化率，提高超表面器件的效率。

AI 提升超表面圖像輸出質(zhì)量

人工智能與深度學(xué)習(xí)技術(shù)在圖像后處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如在智能手機(jī)中，通過合并多張圖像來提高圖像質(zhì)量。對于超表面來說，類似的計(jì)算處理后端同樣能夠提升輸出的圖像質(zhì)量，甚至可以改善其固有的性能限制。

完全依靠特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來消除超表面在較大視場和較小 F 數(shù)成像時(shí)的色差，存在較大難度，而通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的計(jì)算后處理，則能依據(jù)超透鏡獲取的圖像得到高質(zhì)量的彩色圖像。也就是說，我們先 “預(yù)知” 超表面的像差，在此基礎(chǔ)上，再借助人工智能來 “推算” 真實(shí)的圖像。

AI與圖像后處理案例（來自原文）

OAS 光學(xué)軟件的超表面設(shè)計(jì)功能非常便捷，該功能將構(gòu)建更為高效、精準(zhǔn)的超表面設(shè)計(jì)流程，進(jìn)一步推動光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。OAS 光學(xué)軟件已在超表面設(shè)計(jì)中展現(xiàn)卓越效能，為科研人員和工程師提供技術(shù)保障。