Metasurface-based all-optical diffractive convolutional neural networks
Nanchang University（南昌大学）；Chengdu University of Information Technology（成都信息工程大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
本文提出一种基于元表面的全光学扩散卷积神经网络，通过光学卷积层与扩散神经网络的协同设计，实现光学域内的特征提取与优化，提升分类精度。
2025-12-05 physics.app-ph physics.optics
Metasurface-Enabled On-Chip Multiplexed Diffractive Neural Networks in the Visible
用光子取代电子是实现光速、高度并行和低功耗人工智能计算的一条引人注目的途径。最近，全光学衍射神经深度神经网络已经被证明。然而，现有的架构通常包括庞大的组件，最关键的是，它们无法模仿人脑进行多任务处理。在这里，我们展示了一个基于元表面设备的多技能衍射神经网络，它可以在可见光中以光速执行片上多通道传感和多任务处理。超表面与互补金属氧化物半导体成像传感器集成。亚波长纳米结构的偏振复用方案被应用于构建一个多通道分类器框架，用于同时识别数字和时尚物品。人工神经元的面密度可以达到6.25 × 106/mm ~ 2乘以通道数。我们的平台为机器视觉、自动驾驶和精密医疗应用提供了具有全光学片上传感和计算的集成解决方案。
2021-07-13 eess.SP physics.optics
Direct S-matrix calculation for diffractive structures and metasurfaces
本文给出了任意平面衍射结构和元表面的S矩阵在傅里叶域中的解析分量的推导。得到的S-矩阵分量的一般公式可以应用于笛卡尔和曲线度量的两种公式中。基于这些结果的数值方法可以受益于所有以前的改进的傅立叶域方法。此外，我们提供了表达式的S-矩阵计算的情况下，周期性波纹层的二维材料，这是有效的任意波纹深度周期比。作为一个例子，导出的方程被用来模拟共振光栅激发的石墨烯等离子体和二氧化硅中间层对相应的反射曲线的影响。
2018-04-25 physics.comp-ph physics.optics
Multiwavelength Achromatic Metasurfaces by Dispersive Phase Compensation
用衍射平面元件代替体折射光学元件使得光学系统小型化成为可能。然而，由于光在传播期间累积的相位的色散，衍射光学器件遭受大的色差。我们表明，这种限制可以克服工程波长相关的相移所赋予的超颖表面，并展示了一种设计，偏转三个波长没有色散。本文还介绍了一种在三个波长处无色差的平面透镜。我们的设计是基于低损耗介质谐振器，它引入了一个密集的光谱的光学模式，使色散相位补偿。基于超颖表面的平面光子学中的色差抑制将在用于显示器的轻量准直器和色度校正成像系统中找到应用。
2015-05-20 physics.optics
Experimental Verification of Reflectionless Wide-Angle Refraction via a Bianisotropic Huygens' Metasurface
我们报告的设计，制造和表征的双各向异性惠更斯超颖表面（BHMS）的折射垂直入射光束向71.8度。如前所示，需要所有三个BHMS自由度，即电极化率、磁极化率和Ω型磁电耦合，以确保对于这种广角阻抗失配不发生反射。单元电池由三层金属层组成，形成印刷电路板（PCB）结构。所制造的BHMS的特征在于在准光学设置，用于准确地评估镜面反射。随后，喇叭照明BHMS的辐射图案在远场室中测量，以评估设备的折射特性。测量结果表明，BHMS具有可忽略的反射，并且大部分散射功率耦合到所需的Floquet-Bloch模式。据我们所知，这是第一次实验证明这样一个无反射的广角折射超颖表面。
2017-03-20 physics.optics
A dressed polarizability framework for interface-coupled meta-atoms and large-scale metasurfaces
Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N), IOGS- Université de Bordeaux- CNRS（光电子、数字与纳米科学实验室（LP2N），高师巴黎学院-波尔多大学-法国国家科学研究中心）；SharpEye SAS（夏普眼公司）；Institut Lumière Matière (iLM), Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS（光物质研究所（iLM），里昂第一克洛德·贝尔纳大学，法国国家科学研究中心）
提出着装全局极化率矩阵（dGPM）降阶电磁框架，用紧凑散射算子表示复杂超原子并显式纳入界面影响，统一处理界面耦合与自由空间散射体，实现大规模有序/无序超表面仿真。
2026-06-23 physics.comp-ph physics.optics
Integrated Spectropolarimeter by Metasurface-Based Diffractive Optical Networks
Nanchang University（南昌大学）
本文提出一种基于超表面的紧凑型光谱极化计，利用超表面的波长和偏振依赖相位调制，通过深度神经网络实现光谱和偏振信息的高精度重建。
2025-07-27 physics.app-ph physics.optics
Frugal Effective Models for Nanophotonic Scattering: Optimizing Global Polarizability Matrices for Metasurface Design
Univ. Toulouse, CNRS, LAAS, Toulouse, France（图卢兹大学，法国国家科学研究中心，LAAS）；Univ. Toulouse, CNRS, CEMES, Toulouse, France（图卢兹大学，法国国家科学研究中心，CEMES）
该研究提出自动化框架优化全局极化率矩阵模型，通过迭代删改偶极子构建精简高效模型，可将纳米光子散射模拟压缩两个数量级，支撑大型超表面设计的快速模拟。
2026-09-07 physics.comp-ph physics.optics
Multifunctional Nonlocal Metasurfaces
衍射光子器件通过局域和非局域光学模式操纵光。局部设备，如超颖表面，可以在多个选定的波长下塑造波前，但不可避免地会改变整个光谱的光;非局部设备，如光栅滤波器，提供了很好的频率选择性，但空间控制有限。在这里，我们介绍了一个合理的设计范例，使用准束缚态的连续实现多功能的非本地设备：超表面，产生窄带空间定制的波前在多个选定的波长，但在其他方面是透明的。
2020-05-25 physics.optics
Metasurface-empowered freely-arrangeable multi-task diffractive neural networks with weighted training
本文提出一种可排列衍射神经网络（A-DNN），通过衍射层重排和加权多任务损失函数，实现低成本、灵活的多任务光学计算，并在太赫兹频段验证了手写数字和时尚物品识别性能。
2025-06-23 physics.app-ph physics.optics
Metasurface-Enhanced Transparency
我们考虑光从高折射率介质到低折射率环境的传输问题。虽然全内反射严重限制了具有光滑界面的系统中的这种传输，但衍射超表面可以帮助以闪耀角度进入界面的光耦合输出。我们证明了结构化界面的轮廓可以进行数值优化，以针对特定的发射模式。我们的研究表明，虽然超颖表面可以帮助从一系列入射方向耦合出光，但总传输效率存在一个普遍的限制，仅取决于两种材料的介电特性，并且与超颖表面耦合器的轮廓和成分无关。
2017-01-20 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
Edge-enhanced diffractive neural networks based on spin-multiplexed nonlocal metasurfaces
School of Information Engineering, Nanchang University（南昌大学信息工程学院）；School of Physics and Materials Science, Nanchang University（南昌大学物理与材料学院）；Institute for Advanced Study, Nanchang University（南昌大学高等研究院）
提出一种集成非局域超表面平台，通过自旋复用实现全光边缘检测和衍射神经网络分类，利用非局域惠更斯超表面的色散特性进行动量空间滤波，结合几何相位调制执行分类，在MNIST数据集上将单层网络分类准确率从64.2%提升至80.7%。
2026-10-20 physics.app-ph physics.optics
Leveraging Multiplexed Metasurfaces for Multi-Task Learning with All-Optical Diffractive Processors
本文利用光的偏振和波长复用超表面构建多通道衍射神经网络，实现MNIST、FMNIST和KMNIST的多任务并行分类，并提出端到端联合优化框架提升三任务分类性能。
2024-11-20 physics.app-ph physics.optics
A review of dielectric optical metasurfaces for wavefront control
在过去的几年中，超颖表面已被用来展示光学元件和系统的能力，超过传统的衍射光学。在这里，我们回顾了这些最新的发展，重点是介电结构的整形光学波前。我们讨论了实现高效率的陡峭的相位梯度，同时偏振和相位控制，控制色散，控制角响应的机制。然后，我们回顾了在成像，共形光学，可调器件和光学系统中的应用。最后，我们展望了未来的潜力和需要克服的挑战。
2018-04-25 physics.optics
Rigorous Diffraction Interface Theory
我们提出了一种新的形式主义理解超颖表面，光学薄复合衍射器件的光学特性。所提出的技术，严格衍射界面理论（R-DIT），提供了一个分析框架，了解光学薄和光学厚结构之间的过渡。对于超颖表面，R-DIT避免了通过薄层的光传播的计算，并提供了超颖表面的组成和几何形状与其透射、反射和衍射特性之间的直接联系。
2016-12-22 physics.optics
Metasurface Optics for Full-color Computational Imaging
传统的成像系统包括连续地减轻像差的大而昂贵的光学部件。超表面光学提供了一种通过用平面和紧凑的实现方式取代笨重的组件来实现成像系统小型化的途径。然而，这些器件的衍射性质引起严重的色差，并且当前的多波长和窄带消色差超颖表面不能支持全可见光谱成像（400-700 nm）。我们结合计算成像和超表面光学的原理来构建具有NA ~ 0.45的单个超透镜的系统，该系统在白光照明下生成聚焦图像。我们的超透镜表现出光谱不变的点扩散函数，使计算重建捕获的图像与一个单一的数字滤波器。这项工作连接计算成像和元表面光学，并展示了通过同时减少像差和用更简单的光学器件缩小成像系统来结合这些学科的能力。
2018-02-11 physics.optics
Inverse Design of Diffractive Metasurfaces Using Diffusion Models
School of Electrical and Computer Engineering（电气与计算机工程学院）；Tel-Aviv University（特拉维夫大学）；The Center for Nanosciences and Nanotechnology（纳米科学与技术中心）
本研究将扩散模型整合到计算设计工作流程中，基于 RCWA 模拟器生成训练数据并训练条件扩散模型，根据目标空间功率分布逆向预测超构表面元原子几何结构与高度，能以低误差在30分钟内完成分束器等器件设计，并公开了代码与数据集。
2025-06-26 cs.CV cs.LG physics.optics
Zeroth-order-free holographic reconstruction with a nanoimprinted nonlocal metasurface
Science & Technology Research Laboratories, Japan Broadcasting Corporation NHK（日本广播协会NHK科学技术研究所）；Department of Physics and Electronics, Graduate School of Engineering, Osaka Metropolitan University（大阪公立大学工学研究科物理电子学专业）
本文提出利用纳米压印非局部超材料实现零阶衍射自由的全息重建，通过设计超材料结构和角选择性抑制零阶衍射，无需传统4f系统。
2026-03-31 physics.optics
Composite Functional Metasurfaces for Multispectral Achromatic Optics
纳米结构超颖表面提供了独特的能力，用于局部控制透射和反射光波的相位和振幅。基于这种潜力，近年来已经提出了大量的超颖表面作为标准光学元件的替代品。然而，在大多数情况下，这些元件遭受大的色差，从而限制了它们用于多波长或宽带应用的有用性。在这里，为了减轻和校正单个衍射元件的色差，我们引入了独立超颖表面的密集垂直堆叠，其中每个层包括不同的材料，并且针对可见光谱内的不同波段进行了优化设计。使用这种方法，我们展示了第一个三重RGB消色差超透镜在可见光范围内，并执行彩色成像与此镜头。我们进一步证明了功能光束整形通过构建一个自对准的集成元件受激发射耗尽（STED）显微镜和透镜，提供异常色散聚焦。这些演示为实现超消色差光学元件和多功能操作铺平了道路，所有这些都在一个纳米结构的光学元件中。
2016-09-27 physics.optics
Reprogrammable holograms from maskless surface photo-morphing
全息技术有可能在许多领域影响我们的日常生活，包括科学，教育，娱乐，艺术和医疗保健。虽然全息屏幕和投影机是长期以来共同想象的一部分，但它们仍处于发展和整合的初级阶段。超颖表面和平面光学研究的最新成就为这一领域提供了前所未有的力量，克服了传统光学和液晶技术的效率、尺寸和灵活性等关键方面。然而，尽管不断报道具有先进功能和改进效率的衍射和超表面全息投影仪，但它们是静态设备，需要苛刻的、繁重的和不可逆的制造工艺。在这里，我们报告了一个全光学和一步光刻框架的衍射全息投影仪的制造直接在光致形变聚合物薄膜的表面上。在精确的表面图案化和完全的结构可重构性期间的实时优化允许完全可重新编程的无像素形态投影仪的第一个原型，为全息图像显示和光学数据共享开辟了新的途径。
2022-12-31 physics.optics
Freeform Diffractive Metagrating Design Based on Generative Adversarial Networks
Stanford University（斯坦福大学）；Google AI Applied Science（谷歌AI应用科学部）
元表面设计中的一个关键挑战是开发能够有效且高效地生产高性能器件的算法。基于迭代优化的设计方法可以推动元表面的性能极限，但它们需要大量的计算资源，这将它们的实现限制在少量的微尺度器件上。我们发现，生成神经网络可以训练周期性的，拓扑优化的metagratings的图像，以产生高效率，拓扑复杂的设备在广泛的偏转角和波长。这些设计的进一步迭代优化产生具有增强的鲁棒性和效率的设备，并且这些设备可以用作用于网络细化的附加训练数据。以这种方式，生成网络可以被训练，一次性计算成本，并用作设计工具，以促进接近最佳的，拓扑复杂的器件设计的生产。我们设想，这种数据驱动的设计方法可以适用于其他物理科学领域，需要设计的功能元件在一个广泛的参数空间。
2019-06-19 cs.LG physics.optics
Polarimetric compressed sensing with hollow, self-assembled diffractive films
提出一种基于低折射率自组装空心纳米腔阵列光学编码器与神经网络结合的纳米光子学压缩感知方法，实现了波前方向和偏振的高分辨率预测，为偏振编码、光学计算与成像提供了新型材料方案。
2024-11-05 physics.optics
Spatio-Temporal Coupled Mode Theory for Nonlocal Metasurfaces
本文提出时空耦合模理论（STCMT），用于描述波前整形非局域超表面的复杂共振响应，为器件设计提供半解析框架，避免全波仿真，并展示了其在热发射空间整形中的应用。
2023-07-03 physics.app-ph physics.optics
Metasurface-encoded optical neural network wavefront sensing for high-speed adaptive optics
CFD Research Corporation（CFD研究公司）；US Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）
本研究提出了一种基于元表面编码的混合光电子神经网络波前传感器，实现超高速、低成本的波前传感与校正，提升自由空间通信系统性能。
2026-02-18 physics.optics
Compact Folded Metasurface Spectrometer
光学超颖表面的最新进展使得能够超越常规衍射光学器件的能力来控制光波的波前、偏振和色散。准备从这些发展中高度受益的光学设计空间是折叠光学结构，其中光被限制在反射表面之间，并且波前在反射界面处被控制。在这篇手稿中，我们介绍了折叠超颖表面光学的概念，展示了一个紧凑的高分辨率光谱仪，由1毫米厚的玻璃板，体积为7立方毫米。光谱仪的分辨率为1.2 nm，在以810 nm为中心的100 nm带宽内分辨80多个光谱点。该器件由三个不同的反射电介质超颖表面组成，所有这些超颖表面都是在透明光学衬底的一侧上的单个光刻步骤中制造的，该透明光学衬底同时充当光的传播空间。平行于光谱仪衬底的图像传感器可以直接集成在其顶部，以实现包括所有有源和无源组件的紧凑的单片器件。具有相似或不同特性和操作带宽的多个光谱仪也可以集成在同一芯片上并以批量工艺制造，从而显著降低其成本并增加其功能和集成潜力。此外，折叠式元系统设计可以应用于许多光学系统，例如光学信号处理器、干涉仪、高光谱成像仪和计算光学系统，从而显著减小它们的尺寸并增加它们的机械鲁棒性和集成潜力。
2018-07-29 physics.ins-det physics.optics
Meta Resonant Waveguide-Gratings Providing Selective Diffraction
在过去的十年中，已经见证了被称为超表面的各种新的平面光学器件的发展[1]。这些超颖表面依赖于各种各样的相移元件的阵列。本文的目的是提出一种新型的平面光学能够执行波前整形和光束重定向与高波长或角度选择性，以及一个固有的偏振选择性。这些新元件不依赖于局部相移，而是依赖于与谐振波导光栅（RWG）密切相关的分布式导模。这些新的光学元件被称为Meta谐振波导光栅（MRWG）。MRWG具有固有的相当低的纵横比，并且可以用现有的高通量制造方法（例如热压印和物理气相沉积（PVD））来生产，使得它们在工业上具有吸引力。与其许多自由度相关的多种设计选项实现了广泛的光学特性，例如颜色选择自由空间组合器和衍射耦合器配置。详细介绍了简单MRWG的特性，然后推出了一些变体来讨论一些关键设计参数的影响，并为复杂布置提供了通用设计方法。
2020-08-09 physics.optics
Mie-tronics supermodes and symmetry breaking in nonlocal metasurfaces
Institute of High Performance Computing, A ⋆ STAR (Agency for Science, Technology and Research)（A*STAR高性能计算研究所）；Department of Applied Physics and Science Education, Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学应用物理与科学教育系）；Science, Mathematics and Technology Cluster, Singapore University of Technology and Design（新加坡科技设计大学科学技术集群）；Nonlinear Physics Center, Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院非线性物理中心）
本文研究了非局部超材料中对称破缺对Mie共振超模的影响，发现对称破缺可以增强光捕获通过强化平面非局部耦合路径，揭示了非局部超材料中新的电磁耦合通道，为多功能超材料设计提供了新思路。
2026-05-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall physics.app-ph
