Test of mode-division multiplexing and demultiplexing in free-space with diffractive transformation optics
近年来，模分复用（MDM）已被提出作为一个有前途的解决方案，以增加在自由空间和光纤传输的光网络的信息容量。本文介绍了基于可见光范围内光学变换的模分复用衍射光学元件的设计、制作和测试。利用三维高分辨电子束光刻技术，在玻璃衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂层，制作了衍射光学器件。相同的光序列被用于输入模式复用和自由空间传播后的模式分类。这些光学器件具有高度的小型化水平和效率，非常适合集成到电信应用中的下一代模分（解）复用平台中。
2016-12-19 physics.optics
Controlling the sign of chromatic dispersion in diffractive optics with dielectric metasurfaces
衍射光栅将光分散成彩虹色，其顺序与折射棱镜相反，这种现象称为负色散。虽然折射色散可以通过材料折射率来控制，但衍射色散基本上是由几何形状决定的干涉效应。在这里，我们表明，这一基本属性可以改变使用介电超颖表面，我们实验证明衍射光栅和聚焦镜与积极的，零，和超负色散。这些光学元件使用由介电纳米柱组成的反射超颖表面来实现，所述介电纳米柱提供对相位及其波长导数的同时控制。此外，作为第一个实际应用，我们展示了一个聚焦镜，表现出五倍减少色散，从而增加了几乎三倍的工作带宽相比，一个规则的衍射元件。这一概念挑战了衍射光学器件的普遍接受的色散特性，并扩展了它们的应用和功能。
2017-06-19 physics.optics
A single diffractive optical element for implementing spectrum-splitting and beam-concentration functions simultaneously with high diffraction efficiency
本文提出了一种新的方法，并用于设计一个衍射光学元件（DOE）同时实现光谱分离和光束集中（SSBC）功能。根据现代光刻技术的局限性，我们开发了一种优化算法，通过该算法可以在任意厚度范围内优化SSBC DOE。理论模拟结果表明，所设计的SSBC DOE具有较高的光学聚焦效率。预期所设计的SSBC DOE在高效率太阳能电池系统中具有实际应用。
2013-01-23 physics.optics
Multi-plane, Multi-band image projection via Broadband Diffractive Optics
我们展示了可见光和近红外图像投影通过非吸收，多级宽带衍射光学元件（BDOE）在1个或多个平面。通过适当设计BDOE形貌，我们实验证明：（1）不同光谱带中的不同图像;（2）不同图像平面中的不同图像;（3）通过改变照明源和BDOE之间的距离实现图像放大;（4）通过折射率对比顶部涂层实现完全平坦的BDOE;以及（5）反射BDOE。所有这些都是通过宽带照明来实现的。此外，BDOE是高效的、通用的，并且可以使用基于压印的复制技术廉价地大规模制造。
2019-10-29 physics.optics
Imaging with flat optics: metalenses or diffractive lenses?
最近，对用于成像的超透镜的兴趣激增。这种兴趣主要是基于它们的亚波长厚度。自19世纪后期以来，衍射透镜一直被用作薄透镜。在这里，我们表明，多级衍射透镜（MDLs），如果设计得当，可以超过超透镜的性能。此外，MDL可以被设计和制造为具有更大的组成特征，使得它们可用于低成本、大面积的批量制造，这对于超透镜通常是具有挑战性的。支撑基板将主导所有平面光学器件的总厚度。因此，由超透镜提供的厚度略微减小（从~2λ到~λ/2）的优点可能是无用的。我们进一步阐述了这些方法之间的差异，并澄清超透镜在操纵光的偏振态时具有独特的优势。
2019-08-07 physics.optics
Fibonacci terahertz imaging by silicon diffractive optics
采用硅衍射波带片（SDZP）在连续波模式下实现了Fibonacci或双焦太赫兹（THz）成像。同时记录在两个不同的平面的图像显示在0.6太赫兹频率与波长的空间分辨率。多焦点成像操作的Fibonacci透镜的性能与传统的硅相位波带片进行了比较。空间分布和焦深功能进行了讨论，从0.3太赫兹到0.6太赫兹的频率变化。实验结果和模拟数据之间的良好协议。
2020-10-07 physics.optics
Inconsistencies of metalens performance and comparison with conventional diffractive optics
通过元分析指出高数值孔径下超透镜高聚焦效率的声明缺乏严格实验与仿真支持，并附原始评论及修正版文档。
2024-09-23 physics.optics
Probing Optical Vortex Beams via a Controllable Anisotropic Diffractive Phase Element
本文提出利用可调谐椭圆菲涅耳相位掩模对光学涡旋光束进行衍射，仅凭一个可控参数即可直接确定拓扑荷的大小和符号，兼具简单性与紧凑性。
2025-09-01 physics.optics
Deep diffractive optical neural networks for detecting Skyrmionic topologies of light
University of the Witwatersrand（威特沃特斯兰德大学）
本文提出了一种深度衍射光学神经网络，用于检测光的Skyrmionic拓扑结构，通过空间模式基底减少训练变量，实现高精度检测和实际应用。
2025-12-11 physics.optics
Robust Orbital Angular Momentum Transfer Using Low-Cost Diffractive Optics
SECIHTI - Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.（光学研究中心）；Tecnologico de Monterrey（蒙特雷理工学院）；Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí（圣路易斯波托西自治大学工程学院）；Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.（光学研究中心）
该研究利用印刷在醋酸基底上的低成本静态二元全息图，实现了光镊中稳健的轨道角动量传递，构建了适用于多领域的结构化光操控平台。
2026-08-20 physics.optics
Manipulation of the orbital angular momentum of soft x-ray beams by consecutive diffractive optics
Rutgers University（罗格斯大学）；National Synchrotron Light Source II, Brookhaven National Laboratory（美国国家同步辐射光源二号，布鲁克海文国家实验室）；New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）；Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory（功能纳米材料中心，布鲁克海文国家实验室）
本研究通过连续衍射光学操控软X射线束的轨道角动量，实现了无需相敏技术的OAM测量，并应用于束流表征和散射实验。
2025-11-21 physics.optics
Meta-Optics-Based Diffractive Learning Machine for Angle-Multiplexed Multi-Task Processing
The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）；Tsinghua University（清华大学）；Harbin Institute of Technology, Shenzhen（哈尔滨工业大学（深圳））
本文提出一种基于超表面反射腔的大规模衍射学习机，通过角度复用实现11任务并行处理，在CIFAR-10上达95.3%准确率，为边缘计算提供可扩展节能方案。
2026-09-23 physics.optics
Multiplexed Metasurfaces for Diffractive Optics via Phase Correlation Method
本文提出利用多层感知机建立多通道相位关联的超表面复用设计方法，将多通道训练转化为单通道优化，并成功应用于双波长衍射神经网络和多波长彩色全息，分类准确率达90%。
2024-12-18 physics.optics
Takagi-Taupin Description of X-ray Dynamical Diffraction from Diffractive Optics with Large Numerical Aperture
我们提出了一个形式主义的X射线动态衍射从体衍射光学与大数值孔径和高纵横比，在一个类似的Takagi-Taupin方程的应变单晶。本文导出了体衍射光学系统的动态衍射基本方程组，使我们能够研究具有不同光栅轮廓的体衍射光学系统的聚焦特性。我们研究了满足布拉格条件的不同程度的体衍射光学，即平面，倾斜和楔形几何形状，并推导出最终聚焦所需的弯曲几何形状。我们表明，弯曲的几何形状满足布拉格条件无处不在和相位点聚焦的要求，并有效地聚焦硬X射线的尺度接近的波长。
2007-04-30 physics.class-ph physics.optics
Regimes in astrophysical lensing: refractive optics, diffractive optics, and the Fresnel scale
本文通过皮卡-莱夫谢茨理论精确计算衍射积分，发现天体物理透镜中折射与衍射区域的真正分界尺度为 $R_F / \sqrtκ$ 而非菲涅耳尺度 $R_F$，并指出强透镜下折射光学可适用于任意小尺度。
2023-07-21 astro-ph.HE physics.optics
Accuracy assessment of scalar wave propagation methods for diffractive optics design: from thin elements to thick binary grating
本文评估了TEA、BPM和WPM在二进制衍射光栅中的精度，通过FMM作为参考，发现不同方法的有效域并提供逆设计指导。
2026-05-10 physics.comp-ph physics.optics
Terahertz Pulse Shaping Using Diffractive Surfaces
深度学习的最新进展为光学中的各种逆问题提供了非直观的解决方案。在机器学习和光学的交叉点，衍射网络将波动光学与深度学习相结合，设计特定于任务的元素，以全光学方式执行各种任务，如物体分类和机器视觉。在这里，我们提出了一个衍射网络，它是用来塑造一个任意的宽带脉冲成所需的光波形，形成一个紧凑的脉冲工程系统。我们通过实验证明了通过制造被动衍射层来合成具有不同时间宽度的方波脉冲，该被动衍射层共同控制输入太赫兹脉冲的光谱幅度和相位。我们的研究结果构成了第一个演示的直接脉冲整形太赫兹频谱，其中一个复值的光谱调制函数直接作用于太赫兹频率。此外，一个类似乐高的物理迁移学习方法，通过用新训练的衍射层替换现有网络的一部分来说明脉冲宽度可调性，证明其模块化。这种基于学习的衍射脉冲工程框架可以在例如，通信、超快成像和光谱学。
2020-11-21 cs.NE physics.optics
Class-specific Differential Detection in Diffractive Optical Neural Networks Improves Inference Accuracy
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute（加州纳米系统研究所）
衍射深度神经网络在早期已经被引入作为光学机器学习框架，其使用由深度学习设计的任务特定的衍射表面来全光学地执行推理，从而实现用于对象分类和成像的有希望的性能。在这里，我们展示了系统的改进衍射光学神经网络的基础上的差分测量技术，减轻了非负约束的光强度。在该方案中，每个类被分配到一个单独的一对光电探测器，后面的衍射网络，和类的推断是通过最大化的检测器对之间的归一化信号差。此外，通过利用光学系统固有的并行化能力，我们减少了每一类的积极和消极的探测器之间的信号耦合，通过将其光路分为两个联合训练的衍射神经网络，并行工作。我们进一步利用这种并行化方法，并在多个联合训练的差分衍射神经网络之间划分各个类。在联合优化的衍射网络中使用这种特定类别的差分检测，我们的模拟分别对MNIST，Fashion-MNIST和灰度CIFAR-10数据集实现了98.52%，91.48%和50.82%的测试准确度。与机器学习中的集成方法类似，我们还独立优化了多个差分衍射网络，这些网络将其光光学投射到公共检测器平面上，并分别实现了MNIST，Fashion-MNIST和灰度CIFAR-10的98.59%，91.06%和51.44%的测试精度。通过设计衍射神经网络中的这些系统性进展，所报告的分类精度为全光学神经网络设计设定了最新技术水平。
2019-07-13 cs.LG cs.NE eess.IV
Broadband Unidirectional Visible Imaging Using Wafer-Scale Nano-Fabrication of Multi-Layer Diffractive Optical Processors
本文提出一种基于深度学习与晶圆级纳米加工的宽带偏振不敏感单向可见光成像仪，通过两层16级纳米相位特征实现正向高保真成像与反向阻挡，支持大规模高通量制造，可广泛应用于安全、国防和电信领域。
2024-12-16 physics.app-ph physics.optics
A Differentiable Ray-Wave Framework for Hybrid Refractive-Diffractive System Modeling and Optimization
本文提出了一种可微射线-波框架，用于混合折射-衍射系统的建模与优化，支持平面和曲面衍射表面，并实现端到端优化。
2026-09-21 cs.CV cs.GR eess.SP
Modeling Atomistically Assembled Diffractive Optics in Solids
该研究开发了考虑光谱和空间展宽效应的二维光学中心晶格长程原子相互作用模型，结合格林函数技术建立数学框架，适用于多类量子系统，可用于可扩展设计量子光学元件。
2025-04-14 physics.optics quant-ph
Bypassing the resolution limit of diffractive zone plate optics via rotational Fourier ptychography
衍射波带片光学使用薄的微结构图案来改变入射光波的传播方向。它在传统折射透镜不存在的极端波长成像中有重要的应用。波带片光学系统的分辨率极限由最外区的最小宽度决定。为了提高可实现的分辨率，已经投入了大量的努力来制造非常小的区域宽度，并具有光刻胶放置精度。在这里，我们报告使用衍射仪设置绕过波带片光学的分辨率限制。在我们的原型中，我们将样品安装在两个旋转平台上，并使用低分辨率二元波带片将样品平面中继到检测器。然后，我们执行平面内和平面外样本旋转，并捕获相应的原始图像。使用傅立叶重叠关联成像程序处理捕获的图像以提高分辨率。所报告的设置的最终可实现的分辨率不是由所采用的二元波带片的最小宽度结构决定的;相反，它是由面外旋转的最大角度决定的。在我们的实验中，我们使用分辨率目标和二氧化钛样品证明了8倍的分辨率提高。报道的方法可能能够绕过衍射元件的制造挑战，并为极端波长的显微镜开辟新的途径。
2021-02-07 eess.IV physics.optics
Diffractive deep neural network based adaptive optics scheme for vortex beam in oceanic turbulence
携带轨道角动量的涡旋光束在水下无线光通信系统中传输时会受到海洋湍流的干扰。自适应光学（AO）被用来补偿畸变，提高UWOC系统的性能。在这项工作中，我们提出了一种基于衍射深度神经网络（DDNN）的AO方案来补偿由OT引起的失真，其中DDNN被训练以获得涡旋光束的失真强度分布与其对应的表示OT的相位屏之间的映射。将实验中得到的畸变涡旋光束的光强分布输入到DDNN模型中，预测的相位屏可以用于实时补偿畸变。实验结果表明，该方案能快速提取畸变涡旋光束的光强分布特征，并能准确地输出预测的相位屏。补偿后的涡旋光束的模式纯度得到了显著提高，即使在较强的OT情况下也是如此。该方案为自适应光通信技术提供了一条新的途径，有望提高UWOC系统的通信质量。
2022-02-06 eess.IV physics.optics
Large-Area Fabrication-Aware Computational Diffractive Optics
King Abdullah University of Science and Technology（国王阿卜杜勒拉赫曼大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
针对可微光学设计仿真与制造间的质量差距，提出一种基于直写灰度光刻与纳米压印的制造感知衍射光学设计流程，结合超分辨率神经光刻模型与多GPU并行FFT框架，实现大面积衍射光学元件的低成本量产与端到端优化。
2025-10-11 cs.CV cs.ET cs.GR
Multiplication and division of the orbital angular momentum of light with diffractive transformation optics
我们提出了一种方法，有效地倍增或分割的轨道角动量（OAM）的光束，使用一系列的两个光学元件。关键元素由将输入OAM光束的方位角相位梯度映射到圆形扇区上的光学变换表示。通过将多个圆形扇区变换组合到单个光学元件中，可以通过将相位分离并映射到互补的圆形扇区上来执行输入OAM状态的值的乘法。相反，通过组合多个逆变换，通过将输入波束的不同互补圆形扇区映射到相等数量的圆形相位梯度中，可以实现初始OAM值的除法。光学元件已被制造的形式，只有相位衍射光学与高分辨率电子束光刻。光学测试证实了乘法器光学器件执行输入OAM的整数乘法的能力，而所设计的分频器被证明能够正确地将输入光束分成一组互补的OAM光束。这些元件可以应用于高阶OAM模式的乘法产生，基于OAM光束传输的光信息处理，以及电信中的光路由/交换。
2019-04-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Photonic convolutional neural networks using integrated diffractive optics
随着光子集成电路的快速发展，已经证明可编程光子芯片可以用于实现人工神经网络。卷积神经网络（CNN）是一类深度学习方法，在图像分类和语音处理等应用中非常成功。我们提出了一种架构，实现光子CNN使用集成星形耦合器的傅里叶变换属性。在计算机模拟中，我们展示了使用MNIST数据集的高精度图像分类。我们还模拟了光子CNN中的组件缺陷，并表明可以在可编程芯片中恢复性能下降。与当前的实现相比，我们提出的架构大大减少了物理占用空间，因为它利用了光学的自然优势，因此为集成光子深度学习处理器提供了一条可扩展的途径。
2020-02-17 eess.SP physics.optics
From Flat-Optics Concept to Qualified Hardware: Skills Map for the Meta-Optics and Diffractive Optics Workforce
Florida International University（佛罗里达国际大学）
本文提出一个阶段-闸门工作流程，通过紧凑的技术检查、实例设备和基于artifact的技能图谱，帮助工作队伍减少冗余设计循环，使性能声明可审计，并明确学生、教师和雇主应能产出、审查和批准的内容。
2026-04-19 physics.ed-ph physics.optics physics.soc-ph
Diffractive optical system design by cascaded propagation
Russel Berrie Nanotechnology Institute（拉塞尔·贝里纳米技术研究所）；Technion - Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；Lorry I. Lokey Center for Life Sciences and Engineering（洛里·I·洛基生命科学与工程中心）
复杂光学系统的现代设计在很大程度上依赖于计算工具。这些通常利用几何光学以及傅立叶光学，这使得能够使用衍射元件来操纵具有波长尺度上的特征的光。傅立叶光学通常用于设计薄元件，放置在系统的孔径中，产生平移不变的点扩散函数（PSF）。在许多感兴趣的情况下应用傅立叶光学的主要瓶颈，例如，当处理多个或孔径外元件时，来自数值复杂性。在这项工作中，我们提出并实现了一个有效的和可微的传播模型的基础上的柯林斯积分，这使得前所未有的设计自由度使用反向传播的衍射光学系统的优化。我们通过数值和实验证明了我们的方法的适用性，通过放置在复杂成像系统内的任意平面上的薄板元件来设计移位可变PSF，执行多个平面的级联优化，并通过深度学习设计最佳机器视觉系统。
2022-02-23 cs.CV cs.LG eess.IV
