Nondifractive Propagation of Light in Photonic Crystals
我们表明，电磁辐射（特别是可见光）的衍射可以消失在传播通过材料的周期性在空间调制的折射率，即光子晶体。以这种方式，任意宽度的光束可以在没有衍射展宽的情况下传播，并且等效地，任意光图案可以在没有衍射拖尾的情况下传播。
2005-01-21 physics.optics
Unidirectional focusing of light using structured diffractive surfaces
本研究提出基于结构化线性各向同性衍射层的互易衍射单向聚焦设计，经深度学习优化实现正向高效聚光、反向阻光，具备偏振不敏感、抗对抗攻击特性，经太赫兹实验验证，可缩放适配多波段，应用于安全、国防等领域。
2024-12-09 physics.app-ph physics.optics
Cascaded Second-order Surface Plasmon Solitons due to Intrinsic Metal Nonlinearity
我们从理论上证明了在金属和线性介质的界面上存在级联的二阶表面等离子体孤子。金属自由传导电子等离子体中的非局域多极非线性导致了同向传播的表面等离子体激元光束在基频和二次谐波频率下的强相互作用。有效二维介质的有限元数值模拟明确地证明了孤子的形成，证实了理论结果。在SiO2/Ag界面上，对750/1550 nm波长对的5λ宽表面等离子体激元光束进行了非衍射传输，其损耗限制传输距离为100 μ m量级。在相位匹配条件下等离子体孤子的形成已被证明是有益的非衍射表面等离子体极化激元传播。
2012-09-13 cond-mat.other physics.optics
Simulating vacuum birefringence with a diffractive beam propagation code
Helmholtz-Institut Jena（耶拿亥姆霍兹研究所）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（GSI重离子研究中心）；Faculty of Physics and Astronomy, Friedrich-Schiller-Universität Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学物理与天文学学院）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）
本文首次在衍射光束传播工具包中实现量子真空信号发射模块，用于模拟真空双折射。
2025-12-19 hep-ph physics.optics
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
Physics-aware Complex-valued Adversarial Machine Learning in Reconfigurable Diffractive All-optical Neural Network
衍射光学神经网络在加速现代机器学习（ML）算法方面显示出优于电子电路的有前途的优势。然而，实现完全可编程的全光实现和快速的硬件部署是具有挑战性的。此外，了解这种系统中对抗性ML的威胁对于现实世界的应用至关重要，这仍然是未探索的。在这里，我们展示了一个大规模的，具有成本效益的，复值的，和可重构的衍射全光学神经网络系统在可见光范围内的基础上级联透射扭曲液晶空间光调制器。在分类重新参数化的帮助下，我们创建了一个物理感知的训练框架，用于将计算机训练的模型快速准确地部署到光学硬件上。此外，我们从理论上分析和实验证明了物理感知的对抗攻击的系统，这是从一个复杂的基于梯度的算法产生的。详细的对抗鲁棒性与传统的多层感知器和卷积神经网络的衍射光学神经网络的一个独特的统计对抗属性的比较。我们的全栈软件和硬件为在各种机器学习任务中使用衍射光学提供了新的机会，并使光学对抗机器学习的研究成为可能。
2022-03-09 cs.ET physics.optics
Interleaved diffractive networks for information transfer through random diffusers
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute (CNSI), University of California, Los Angeles（加州纳米系统研究所）；Electrical and Computer Engineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系）；Bioengineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校生物工程系）
本文提出了一种通过随机和未知衍射器传输信息的交织衍射光学网络，利用被动结构层减少散射，同时开发了光-数字混合系统提升信息传输的鲁棒性与重建精度。
2026-03-09 physics.app-ph physics.optics
Propagation of localized optical waves in media with dispersion, in dispersionless media and in vacuum. Low diffractive regime
本文系统地研究了超短激光脉冲在色散介质、无色散介质和真空中的线性传输。振幅包络的应用方法提供了机会，以估计缓慢warning振幅近似的限制，并描述振幅积分微分方程，在单周期制度的光脉冲的传播。将著名的缓变振幅方程和真空振幅方程写成无量纲形式。获得了定义光脉冲演化的不同线性区域的三个参数。与以往的研究相比，我们证明了在飞秒区域非傍轴项并不小，可以支配横向拉普拉斯算子。用傅里叶变换法求解了归一化振幅非傍轴方程。我们得到了具有不同于Fresnel谱核的基本解，并与空气中的近轴光的衍射光束作了比较，得到了一个意想不到的新结果：具有球面和椭球空间形状的光脉冲的横向放大相对稳定。在这里，重要的是要强调光盘的情况，即纵向尺寸比横向尺寸小的脉冲，在某些部分情况下，在几千公里的距离上实际上是无衍射的。提出了一个计算光脉冲衍射长度的新公式。
2008-01-14 physics.optics
Few-cycle optical solitary waves in cascaded-quadratic-cubic-quintic nonlinear media
研究了在二次、三次和五次非线性共同作用下，大相位失配二次谐波（SHG）过程中少周期光学孤立波在非线性介质中的传播。在慢变包络近似下，给出了级联二次介质非线性演化方程的亮孤子和暗孤子的精确解。通过数值模拟验证了所获得的解析解。
2014-01-15 physics.optics
Wavelength-Multiplexed 2D Beam Steering via a Passive Diffractive Network
Electrical and Computer Engineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系）；Bioengineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校生物医学工程系）；California NanoSystems Institute (CNSI), University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所）
提出一种无源衍射光学网络，利用波长作为控制参数实现任意二维光束偏转，通过深度学习优化级联衍射层，数值和实验验证了625个波长通道的25x25偏转阵列，具有亚波长精度和高信道保真度。
2026-06-16 cs.CV cs.NE physics.app-ph
Diffractive Interface Theory: Nonlocal polarizability approach to the optics of metasurfaces
我们提出了一种理解电磁超颖表面，光学薄膜与工程衍射复合膜的形式主义。该技术，衍射界面理论（DIT），明确利用超颖表面的小光学厚度，消除了对解决薄膜内部的光传播的需要，并提供了超颖表面的空间轮廓和其衍射特性之间的直接联系。DIT的预测进行了比较与麦克斯韦方程组的全波数值解，证明DIT的有效性和计算的光学薄结构的优势。DIT的应用范围从理解超颖表面中光-物质相互作用的基本原理到有效分析广义折射到超颖表面优化。
2014-08-13 physics.optics
End-to-End Hybrid Refractive-Diffractive Lens Design with Differentiable Ray-Wave Model
KAUST（科罗Swiss技术大学）；UBC（不列颠哥伦比亚大学）；UNC（北卡罗来纳大学）
提出一种可微光线-波模型，精确模拟折衍混合透镜，实现透镜与重建网络的端到端协同设计，在像差校正与扩展景深成像上取得显著改善。
2024-06-02 cs.CV cs.GR physics.optics
Universal point spread function engineering for 3D optical information processing
本文提出通用PSF工程框架，利用级联透射表面构成的空间非相干衍射处理器合成任意空间变化三维PSF，并数值验证无滤光片、无扫描、无数字重建的快照式三维多光谱成像。
2025-02-09 cs.NE physics.optics
Time-lapse image classification using a diffractive neural network
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute (CNSI)（加州纳米系统研究所）
衍射深度神经网络（D2 NN）定义了一种全光学计算框架，该框架由空间工程无源表面组成，这些无源表面通过调制传播光的振幅和/或相位来共同处理光学输入信息。衍射光学网络以光通过薄衍射体积的传播速度完成其计算任务，无需任何外部计算能力，同时利用光学的大规模并行性。衍射网络被证明可以实现物体的全光学分类，并执行通用的线性变换。在这里，我们展示了，第一次，一个“延时”图像分类方案，使用衍射网络，显着提高其分类精度和泛化性能的复杂输入对象，通过使用输入对象和/或衍射网络的横向运动，相对于彼此。在不同的背景下，物体和/或相机的这种相对运动通常用于图像超分辨率应用;受其成功的启发，我们设计了一个延时衍射网络，以受益于受控或随机横向位移所产生的互补信息内容。我们在数值上探索了延时衍射网络的设计空间和性能限制，揭示了CIFAR-10数据集对象光学分类的盲测准确率为62.03%。这是迄今为止使用CIFAR-10数据集上的单个衍射网络实现的最高推理精度。延时衍射网络将广泛用于使用全光处理器的输入信号的时空分析。
2022-08-23 cs.CV cs.NE 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
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
Diffractive resonant radiation emitted by spatial solitons in waveguide arrays: towards a spatiotemporal supercontinuum generation
本文对克尔非线性波导阵列中空间孤子产生的衍射共振辐射进行了解析和数值研究。导出了孤子与辐射之间的相位匹配条件，并与直接脉冲传输模拟结果进行了比较。由于布里渊区的折叠色散导致一个奇特的反常孤子反冲，我们详细描述。施加在阵列上的线性电势产生光纤中拉曼自频移的模拟，现在仅应用于波数。我们证明，它是可能的，以模仿密切的时间光纤动力学，揭示了新的影响波数超连续谱的产生和“孤子自波数位移”的补偿所发射的衍射辐射。这项工作为设计独特的光学器件铺平了道路，这些器件可以产生具有可控方向性的光谱宽超连续谱。
2012-10-18 nlin.PS physics.optics
Ultrafast and octave-spanning optical nonlinearities from strongly phase-mismatched cascaded interactions
级联非线性引起了人们极大的兴趣，但超快应用受到了同时要求接近相位匹配和具有超快飞秒响应时间的严重阻碍。在这里，我们表明，在强相位失配的非线性频率转换晶体的泵浦脉冲可以经历一个大的和极宽的自散焦级联克尔类非线性。通过与晶体中最大的二次张量元素的相互作用来确保大的级联非线性，并且强相位失配确保具有倍频程跨越带宽的超快非线性响应。我们通过实验验证了这一点，显示几个周期的孤子压缩与非临界级联二次谐波产生：高能47 fs的红外脉冲压缩在一个只有1毫米长的散装锂晶体的17 fs（下4个光学周期）与80%的效率，并在进一步传播的octave跨越超连续谱观察。这种超快级联预计将发生在使用标准非线性晶体跨越近红外和中红外的宽范围的泵浦波长。
2012-07-12 physics.optics
Quantitative phase imaging (QPI) through random diffusers using a diffractive optical network
本文提出一种全光衍射光学网络，可将随机衍射器后隐藏物体的相位信息转换为强度变化，无需外部电源即可实现高速、低功耗的定量相位成像与重建。
2023-01-19 eess.IV physics.app-ph physics.optics
Partitionable Diffractive Neural Networks for Multifunctional Optical Operations
Center for Biophotonics, Institute of Medical Robotics, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学生物医学工程学校医学机器人研究所生物光子学中心）；Institute of Modern Optics, Nankai University（南开大学现代光学研究所）
本文提出可分区衍射神经网络，通过堆叠多个独立子模块实现多功能光学操作，提升灵活性和重配置能力。
2026-01-25 physics.optics
Bandwidth scaling and spectral flatness enhancement of optical frequency combs from phase modulated continuous-wave lasers using cascaded four-wave mixing
我们介绍了一种新的级联四波混频技术，该技术可以放大连续波激光相位调制产生的频率梳的带宽，同时提高光谱平坦度。因此，我们展示了一个10 GHz的频率梳超过100线在10 dB的带宽，其中记录75线是在1 dB的平坦度。级联的四波混频过程将由CW激光器的调制产生的初始梳的带宽增加了五倍。宽带梳具有近似二次频谱相位，其在单模光纤中传播时被补偿，导致940 fs脉冲的10 GHz训练
2012-11-09 physics.optics
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
Wavelength-Multiplexed Nonlinear Computing with a Single-Layer Diffractive Optical Processor
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种波长复用的编码-解码衍射处理器，利用多波长照明在单层架构中实现大量非线性函数，无需级联或增加自由度，并通过数值模拟和实验验证了其可扩展性。
2026-09-16 physics.app-ph physics.optics
Computer-free, all-optical reconstruction of holograms using diffractive networks
未知物体的同轴全息图的重建通常遭受由于与要重建的期望图像重叠的失焦图像的出现而导致的孪生图像伪影。基于计算机的迭代相位恢复算法和基于学习的方法已经被用于抑制数字全息中的这种图像伪影。在这里，我们报告了一种全光学全息图重建方法，可以即时检索的图像的一个未知的对象从其同轴全息图和消除孪生图像伪影，而不使用数字处理器或计算机。使用深度学习训练多个透射衍射层，使得来自任意输入全息图的衍射光通过光-物质相互作用进行全光学处理，以光传播速度重建未知物体的图像，而不需要任何外部功率。这种无源全光处理器由空间设计的透射层组成，形成了一个衍射网络，它成功地推广到重建未知的新物体的同轴全息图，并在全息图记录距离处表现出更高的衍射效率和更大的景深。这种全光全息处理器和底层的设计框架可以找到许多应用在相干成像和全息显示相关的应用，由于其在图像重建速度和计算机的自由操作方面的主要优势。
2021-07-17 eess.IV physics.app-ph physics.optics
All-optical image denoising using a diffractive visual processor
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University College London（伦敦大学学院）
本文提出一种基于衍射视觉处理器的全光学图像去噪方法，利用深度学习优化的无源透射层物理散射噪声模式，实现非迭代、高速、低功耗的去噪，实验验证了其在太赫兹波段的效率。
2023-09-17 cs.CV physics.app-ph physics.optics
Complex-valued universal linear transformations and image encryption using spatially incoherent diffractive networks
该研究将空间非相干 D2NN 扩展到复值信息处理，证明衍射特征数超过输入输出空间带宽积之积阈值后可近似任意复值线性变换，并实现非相干全光图像加密。
2023-10-05 cs.NE physics.optics
Cascaded optical fiber link using the Internet network for remote clocks comparison
我们报告了一个级联的光链路1100公里的超稳定的频率分布在互联网光纤网络。该链路由四个跨度组成，其中传播噪声得到主动补偿。五个全自动光电站确保了链路的稳定性和性能，其中两个位于链路端部，三个部署在现场并连接跨段。该装置利用低噪声激光二极管的外差光锁相相干再生光信号。利用稳定、低噪声的光纤干涉仪实现了激光锁定拍频信号的光学检测和链路噪声补偿。我们显示了噪声补偿的4跨级联链路连续运行3.5天，导致分数频率不稳定性在1秒测量时间为4x 10 -16，在2000秒为1x 10 -19。该级联链路扩展到1480公里，具有相同的性能。这项工作是朝着可持续的广域超稳定光学频率分配和比较网络迈出的重要一步，具有非常高的性能水平。
2015-09-22 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
Low-Loss All-Fiber Mode Permuter Design Exploiting Propagation Constant Engineering and Cascaded Bragg Gratings
针对D=12模式渐变折射率光纤链路，提出基于光纤布拉格光栅的阶跃折射率与自由形式优化两种全光纤模式置换器，显著降低C波段损耗及链路群时延扩展。
2025-05-10 physics.optics
Large-scale nonlinear optical computing with incoherent light via linear diffractive systems
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出利用优化的衍射处理器在非相干或部分相干照明下实现大规模非线性函数逼近，展示了通过强度输入编码和密集探测器读取实现单次前向传递中计算百万种非线性函数的方法。
2026-03-31 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Optical Mode Sorting with a Programmable Diffractive Neural Network
TU Dresden（德累斯顿工业大学）
本文提出一种混合优化框架，结合高维数值设计与低维硬件在环校准，使可编程衍射神经网络无需重训练即可补偿实验失配，实现对六种偏振模式的空间排序，信噪比提升约3.26 dB。
2026-09-23 physics.optics
All-optical autoencoder machine learning framework using linear diffractive processors
本研究提出基于线性衍射处理器的全光自编码器框架，利用D2NN双向复用特性实现编解码，拓展了潜在空间应用，验证了图像去噪等多场景功能，为多功能光学智能系统提供新思路。
2025-03-21 physics.app-ph physics.optics
Optimum design of permeable diffractive lenses based on photon sieves
本文研究光子筛衍射透镜的优化设计，通过加权评价函数、圆形孔径解析解和几何评价函数等方法，在制造约束下最大化焦平面光强与透射率，并与菲涅耳波带排布进行对比。
2025-04-10 physics.optics
Analysis of Diffractive Optical Neural Networks and Their Integration with Electronic Neural Networks
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
光学机器学习在功率效率、可扩展性和计算速度方面具有优势。最近，已经引入了基于衍射深度神经网络（D2 NNs）的光学机器学习方法，以在输入光衍射通过使用计算机通过深度学习设计的无源层时执行功能。在这里，我们通过改变训练损失函数和减少误差反向传播步骤中消失梯度的影响来介绍对D2 NN的改进。使用五个纯相位衍射层，我们在数字上分别实现了手写数字和时尚产品光学识别的97.18%和89.13%的分类准确率;在每一层使用相位和幅度调制（复值），我们的推理性能分别提高到97.81%和89.32%。此外，我们报告了D2 NN与电子神经网络的集成，以创建混合分类器，该混合分类器使用具有几个波长的层间距离的超紧凑前端D2 NN，显著减少了电子网络的输入像素数量，还降低了连续电子网络的复杂性。使用5层纯相位D2 NN与单个全连接电子层联合优化，我们分别实现了手写数字和时尚产品识别的98.71%和90.04%的分类准确率。此外，电子网络的输入被压缩了>7.8倍，降至10 x10像素。除了创建低功耗和高帧速率机器学习平台，基于D2 NN的混合神经网络将在智能光学成像器和传感器设计中找到应用。
2019-06-08 cs.LG cs.NE physics.optics
Learning Diffractive Optical Communication Around Arbitrary Opaque Occlusions
本文提出一种深度学习联合训练的电子编码器与衍射光学解码器方案，首次实现光信息绕过任意形状不透明遮挡物进行高速直接通信，并在太赫兹频谱中实验验证。
2023-04-20 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Field Synthesis with Azimuthally-Varying, Cascaded, Cylindrical Metasurfaces using a Wave Matrix Approach
针对圆柱共形超表面研究少、几何复杂的问题，提出采用波矩阵方法建模级联方位变化圆柱超表面的高阶耦合，可高效合成场变换所需非均匀导纳，在天线与隐身领域有应用潜力。
2022-11-02 physics.app-ph physics.optics
Multi-Dimensional Reconfigurable, Physically Composable Hybrid Diffractive Optical Neural Network
Arizona State University（亚利桑那州立大学）
本文提出多维可重构混合衍射光学神经网络（MDR-HDONN），通过物理可组合架构和全系统可学习性实现功能指数扩展，兼具集成光子可重构性与自由空间超并行性，速度提升74倍、能耗降低194倍，训练快5倍。
2024-11-08 cs.AI cs.AR physics.optics
Engineering the axial intensity of Bessel beams
由于光沿光轴传播的锥形性质，贝塞尔光束（BB）在有限的传播距离上不受衍射的影响。这在激光制造中提供了有前途的优势。然而，BB沿传播方向表现出显著的强度变化。我们提出了一种简单的技术，工程师的轴向强度的BB超过厘米长的传播距离，而不扩展的入射激光束。该方法使用两个衍射光学元件（DOE），一个将输入的高斯光强分布转换为中间光强分布，该中间光强分布照射第二个DOE，二元轴棱锥。可以制造在几厘米长度上具有所需轴向强度分布的BB。
2017-11-02 physics.optics
Broadband and efficient diffraction
表面形貌决定了表面衍射的确定性功能。为了最大化衍射光学部件（诸如光栅或衍射透镜）将光引导到选定衍射级的效率，必须使其“闪耀”。迄今为止报道的大多数衍射光学元件的效率随波长而变化，并且闪耀仅在特定的标称能量（闪耀波长）下实现。在不期望的阶中的寄生光的存在代表了防止在宽带系统中使用衍射部件的严重限制。在这里，我们实验证明，宽带闪耀几乎一个倍频程可以通过结合先进的光学设计策略和人工介电材料，提供色散色差远强于传统的散装材料。在宽光谱范围内将能量保持在特定阶数的有效函数的可能性可以使先进的研究能够实现对光传播的更大控制，从而产生更紧凑，高效和通用的光学组件。
2013-06-23 physics.optics
Scaling laws for soliton pulse compression by cascaded quadratic nonlinearities
研究了体二次非线性介质中基于相位失配二次谐波产生（\textit{i.e.}，级联二次非线性）的超短脉冲孤子压缩。给出了包含高阶非线性项的时域单周期传播方程。二次（SHG）和立方（克尔）非线性之间的平衡起着至关重要的作用：我们定义了一个有效的孤子数-SHG和克尔孤子数之间的差异相关-并表明，它必须大于单位成功的脉冲压缩发生。这要求相位失配低于临界水平，该临界水平在二次非线性超过三次克尔非线性占主导地位的材料中是高的。通过大量的数值模拟，我们发现无量纲标度律，表示通过有效孤子数，控制的压缩脉冲的行为。这些法律在固定制度，其中群速度失配的影响是小的，他们是类似的光纤孤子压缩机所观察到的。数值模拟结果表明，在适当的波长下，$β$ -硼酸钡晶体可以获得低于两个光周期的干净压缩脉冲，甚至对于皮秒输入脉冲也是如此。
2007-08-20 physics.optics
Hybrid Diffractive Optics Design via Hardware-in-the-Loop Methodology for Achromatic Extended-Depth-of-Field Imaging
通过结合计算成像的数字可微模型对衍射光学元件（DOE）轮廓进行端到端优化，由于所得到的物理设置的紧凑性，在新兴应用中获得了越来越多的关注。尽管最近的工作已经显示出这种方法设计光学器件的潜力，但其在物理设置中的性能仍然受到DOE的制造伪影、模拟和所得实验点扩散函数之间的失配以及校准误差的限制和影响。此外，有效设计DOE的数字可微模型的计算负担正在增加，从而限制了可以设计的DOE的大小。为了克服上述局限性，本文提出并研制了一种采用纯相位空间光调制器（SLM）作为编码DOE的宽带成像系统。SLM相位图案和图像重建算法的协同设计是按照端到端的策略产生的，使用配备有定量和定性损失函数的卷积神经网络进行优化。成像系统采用SLM作为DOE和折射透镜的混合光学系统。SLM相位图案通过应用硬件在环技术进行优化，这有助于消除成像的数值建模和物理现实之间的不匹配，因为光传播不是数值建模的，而是物理完成的。在我们的实验中，混合光学实现的SLM相位图案的光学投影在一个透镜平面上的深度范围为0.4- 1.9米。与索尼A7 III和iPhone Xs Max相机等复合多镜头光学器件的比较表明，该系统在全聚焦清晰成像方面具有先进性。
2022-03-30 eess.IV 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
Breaking the Cascade: Compact Nonlinear Optical Computing with Single-Layer Encoder-Decoder Co-Localization
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute (CNSI), University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所）
提出一种单层衍射表面实现非线性计算的方法，通过编码器-解码器共定位架构，在无非线性材料或多层结构下实现通用非线性函数逼近，并实验验证了9种非线性函数的并行近似。
2026-05-31 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Generating non-diffracting bottle beams with a flat multi-level diffractive lens
该研究利用二元 axicon 产生低旁瓣 Bessel 光束并通过平面 MDL 聚焦，实现无衍射范围超 5 cm、周期 0.2–1.36 mm 的高功率微米级瓶形光束。
2025-09-29 physics.optics
Quasi-Periodic Optical Key-Enabled Hybrid Cryptography: Merging Diffractive Physics and Deep Learning for High-Dimensional Security
针对光学加密依赖电子计算且物理密钥易受损的问题，提出准周期光学密钥（QPOK），结合衍射物理实现光驱动加密，并利用深度学习仅凭振幅数据重建密文场，有效提升了系统安全性、鲁棒性与数据压缩率。
2025-05-29 physics.app-ph physics.optics
A compact single channel interferometer to study vortex beam propagation
我们提出并证明了一个单通道干涉仪，可用于研究如何涡旋光束传播。该干涉仪由不同焦距的菲涅耳波带片和螺旋菲涅耳波带片空间随机复用合成的多功能衍射光学元件组成。MDOE产生两个共同传播的光束，使得只有携带轨道角动量的光束被位于菲涅耳波带片的焦平面处的薄散射体的环形堆叠调制，而另一个光束穿过环形的中心而没有任何调制。在螺旋菲涅耳波带片的焦平面上记录干涉图样。利用该光学系统研究了涡旋光束通过不同数目薄散射体叠层的散射特性。先前已经报道了关于较高或较低电荷束是否遭受更多劣化的验证结果。提出的干涉仪提供了一个相对简单和紧凑的实验研究涡旋光束通过散射介质的传输手段。
2019-12-04 physics.app-ph physics.optics
Photonic extreme learning machine by free-space optical propagation
受光子大脑启发的平台正在成为新型模拟计算设备，为机器学习提供快速和节能的操作。这些人工神经网络通常需要定制的光学元件，例如集成光子电路、工程衍射层、纳米光子材料或时间延迟方案，这对于训练或稳定是具有挑战性的。在这里，我们提出了一个神经形态的光子计划-光子极端学习机-可以简单地通过使用光学编码器和相干波在自由空间中的传播来实现。我们通过激光束的空间光调制来实现这个概念，远场作为特征映射空间。我们通过实验展示了从各种分类和回归任务的数据中学习，达到了与数字极端学习机器相当的准确性。我们的研究结果指出了一种光学机器学习设备，该设备易于训练，能量效率高，可扩展且无制造约束。该方案可以推广到大量的光子系统，打开了光学数据的实时神经形态处理的路线。
2021-05-25 cs.ET physics.optics
Ultra-compact synthesis of space-time wave packets
针对时空波包合成依赖笨重自由空间光学系统的问题，提出利用旋转45度的啁啾体布拉格光栅和相位板构建超紧凑系统，在25x25x8 mm3体积内无需自由空间传播即可合成时空波包。
2022-12-23 physics.optics
Conservation of a spectral asymmetry invariant in optical fiber four-wave mixing
本文通过理论和实验研究，测试了光纤四波混频中光谱不对称不变量的鲁棒性，发现其对微小偏差高度敏感，并表明理想化系统介于非级联四波混频与非线性薛定谔方程系统之间。
2023-12-21 physics.optics
Subwavelength gratings for OVDs - From local interactions to using light-transport
在过去的30年里，亚波长光栅作为高安全性的衍射光学可变成像器件（DOVID）得到了发展和生产。他们允许新的独特的光学效果和显着降低DOVID伪造。特别地，涂覆有高折射率电介质的亚波长光栅是公知的并且被批量生产以保护文件，诸如衍射识别设备（DID）。这些亚微米光栅被称为零级器件或滤波器（ZOD，ZOF）或设计用于零级读出的衍射微结构。类似的结构被称为谐振波导光栅（RWG）或谐振漏模波导，当优化用于不同的目的。使用时间分辨光学模拟的研究可以演示和量化当跨光栅（共线入射）观察时光如何在DID结构中耦合和传播。RWG的泄漏谐振模式在共线入射的DID的出现中起着重要作用，这对此类安全元件的工程具有实际影响。通过对这种非局域光相互作用的研究，可以利用RWG中的光输运来设计和产生新的光学可变效应。作为示例，多频率RWG可以被设计为耦合不同颜色和偏振的光，并且将它们从零阶器件典型的镜面配置中耦合出来。作为进一步的步骤，我们提出了新的结构，能够耦合光在基板或在选定的层的安全文件或标签，embling波导光在这些层。这些光学耦合器能够在宏观尺度上使用基板体积中的全内反射实现选择性光传输，同时与当前的卷对卷方法兼容。
2015-11-17 physics.optics
The consequences of non-differentiable angular dispersion in optics: Tilted pulse fronts versus space-time wave packets
传统的衍射和色散装置将角色散（AD）引入脉冲光场中，从而产生所谓的“倾斜脉冲波前”。自然地，总是假设与AD相关联的波长相关的传播角的函数形式相对于波长是可微的。时空波包-脉冲光束，其中的空间和时间的自由度是不可分割地交织在一起-的研究中的最新进展指出存在不可微AD：场配置中的传播角不具有在某些波长的导数。在这里，我们调查的后果引入不可微AD到脉冲场，并表明它是实现群速度偏离$c$（在真空中的光的速度）沿传播轴在自由空间中所需的关键成分。相比之下，在轴上的相速度和群速度总是相等的常规方案。此外，我们表明，不可微AD是需要实现异常或正常的群速度色散沿传播轴，同时抑制所有高阶色散项。这些和其他几个后果的不可微AD的实验验证使用脉冲束整形器能够引入AD与任意光谱轮廓。不可微AD不是一种奇特的现象，而是一种可访问的，鲁棒的和通用的资源，用于雕刻脉冲光场。
2021-09-15 physics.optics
