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基于通道注意力增强网络的高效消色差超透镜逆向设计OA

Inverse design of efficient achromatic metalens based on channel attention enhanced network

中文摘要英文摘要

超单元相位光谱响应的快速精准预测是超透镜逆向设计的关键,针对传统电磁仿真方法存在计算成本高、效率低,且难以满足超表面器件智能设计需求的问题,提出一种基于通道注意力机制的卷积神经网络(ECANet),以实现像素化超单元结构的相位光谱前向预测.基于像素化超单元仿真数据集,对ECANet进行训练与验证的结果表明,模型在设计波段内的相位预测平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)低于 0.06 rad;将训练完成的 ECANet嵌入粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法,构建了高效的消色差超透镜逆向设计框架.仿真结果显示,所设计的超透镜在工作波段内焦距波动小于2%,实现了良好的消色差聚焦性能.该设计框架以ECANet的快速相位预测替代传统时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)仿真,使超透镜设计的整体计算效率提升约两个数量级,在保证设计精度的同时大幅缩短研发周期.本研究为可见光超表面器件的高效智能设计提供了新的技术路径,在集成光学、微型成像系统等领域具有良好的应用前景.

Rapid and accurate prediction of the phase spectral response of meta-units is essential for the in-verse design of metalenses.Conventional electromagnetic simulation methods are computationally inten-sive and inefficient,making them inadequate for the intelligent design of metasurface devices.To address this limitation,a convolutional neural network incorporating an efficient channel attention mechanism(EC-ANet)is proposed for forward prediction of the phase spectrum of pixelated meta-atom structures.Train-ing and validation on a simulated dataset demonstrate that the mean absolute error of phase prediction with-in the design bandwidth is below 0.06 rad.The trained ECANet is further integrated into a particle swarm optimization(PSO)algorithm to establish an efficient inverse design framework for achromatic metalens-es.Simulation results indicate that the designed metalens achieves a focal length variation of less than 2%across the operating bandwidth,demonstrating excellent achromatic focusing performance.By replacing conventional finite-difference time-domain(FDTD)simulations with rapid phase predictions from EC-ANet,the proposed framework improves computational efficiency by approximately two orders of magni-tude while maintaining design accuracy.This work presents a novel and efficient approach for the intelli-gent design of pixelated metasurface devices in the visible regime,with significant potential for applications in integrated optics,micro-imaging systems,and related fields.

容仕翰;王启安;蔡云霄;张琬皎;徐卫明;张楠

国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024||中国科学院 上海技术物理研究所 空间有源光电子技术重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024||中国科学院 上海技术物理研究所 空间有源光电子技术重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024||中国科学院大学,北京 100049国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024||中国科学院大学,北京 100049国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024||中国科学院 上海技术物理研究所 空间有源光电子技术重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049北京理工大学 光电学院 混合现实与先进显示工程研究中心,北京 100081

信息技术与安全科学

深度学习消色差超透镜逆向设计粒子群优化算法

deep learningachromatic metalensinverse designparticle swarm optimization algorithm

《光学精密工程》 2026 (9)

1453-1467,15

国家自然科学基金资助项目(No.62575023)

10.37188/OPE.20263409.1453

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