人工智能（AI）賦能超構光學設計新范式

多參量光場調控是實現先進光學功能的關鍵，而傳統方法依賴級聯體積龐大的折射元件，制約了小型化多功能光學器件的發展。超構光學憑借其獨特的光-物質相互作用機制和廣闊設計自由度，為多參量光場調控的小型化器件提供了強大工具。但由于不同波長間的相互依賴性使得光學響應需求極為復雜，傳統空間復用設計面臨空間分辨率低和串擾嚴重等挑戰。

當前，算法驅動的超構光學設計已成為研究熱點。然而，現有方法仍局限于少數偏振和波長功能，且缺乏全局優化和快速收斂能力。如圖1所示，多偏振多波長超構光學的傳統設計策略主要包括原子級逆向設計（圖1a）和系統級分離式設計（圖1b）。前者主要用于優化周期性超構單元，僅滿足1D光譜曲線需求，難以適應空間光場調控；后者則采用多步驟方法設計非周期性超構光學，盡管具備一定的多功能性，但易引入局部誤差，導致性能瓶頸，且仍局限于雙偏振和少數波長功能。因此，亟需開發一種系統級端到端（E2E）設計架構（圖1c），實現全光場調控超構光學，同時兼顧全局優化、快速收斂和制造簡化。

本研究提出了一種基于多算法融合的全光場調控超構光學E2E設計架構（圖2a）。該架構通過構建可微分的超構光學正向求解器，結合神經網絡輔助的色散全參數瓊斯矩陣和傅里葉衍射傳播，快速預測超構單元的幾何參數對不同波長和偏振態的光學響應。神經網絡通過學習FDTD仿真數據生成高精度的連續相位和振幅響應（圖2b,2c），確保正向求解器的準確性和可微分性。基于此，該架構可利用自動微分技術計算梯度信息，并結合梯度下降優化算法，不斷迭代優化超構光學器件的幾何布局，直至收斂至全光場調控的目標光場（圖2a）。該E2E設計架構具備快速收斂和全局優化的優勢，能夠有效提升設計效率，避免局部優化帶來的性能損失，實現高性能全光場調控超構光學器件的系統級優化。

為驗證E2E設計在超構光學性能提升方面的優勢，將其與分離式設計進行對比。針對雙偏振多波長全息復用（圖3a），隨著波長通道數量的增加，E2E設計的RMSE值整體低于分離式設計（圖3b），且重構全息圖像輪廓清晰可見（圖3c，3d）。進一步以三波長彩色全息進行實驗驗證，分離式設計由于無法在所有波長下實現完整的0-2π相位調制，導致匹配誤差較大（圖3e）。相比之下，E2E設計以圖像質量為目標，直接優化超構光學器件的幾何布局，從而有效避免中間匹配誤差。實驗測量結果（圖3g,3h）表明，E2E設計的全息圖像在X和Y偏振通道的PSNR值分別提升了4.26 dB和2.84 dB，而SSIM值分別提高了6.46倍和5.78倍，充分證明E2E設計在偏振-波長復用全息中的卓越性能。

為展示E2E設計在突破通道耦合限制方面的能力，通過引入旋轉角度形成色散全參量瓊斯矩陣，充分利用矩形超構單元的全部設計自由度，實現了正交三偏振-多波長-多深度復用（圖4a）。傳統分離設計難以實現如此復雜功能，而E2E設計通過自動優化超構光學器件的幾何布局，仿真實現了27通道復用全息，其圖像質量高且串擾可忽略（圖4b）。在實驗驗證中，選擇其中9通道進行彩色3D全息的演示，并在優化過程中引入噪聲分布，從而降低全息圖像的PSNR值對形狀誤差的敏感度，極大地增強了器件的魯棒性（圖4c）。制備的超構光學器件（圖4d）在不同的入射與出射偏振組合下，能夠在不同的深度平面生成對應的彩色圖像：“彩虹”、“花朵”和“氣球”（圖4e-g）。E2E設計突破了偏振和波長通道之間的耦合關系對復用通道的限制，極大拓展了超構光學多通道復用的上限。

本研究開發了神經網絡輔助的端到端（E2E）設計架構，通過構建幾何參數與多參量光學響應場之間的可微分聯系，利用梯度信息直接優化超構光學的幾何布局，實現了高性能、功能多樣且制造可靠的全光場調控器件。實驗驗證表明，該架構在雙偏振多波長全息中顯著提升圖像質量，并突破通道限制，實現了正交三偏振多波長-深度復用的彩色3D全息。此外，進一步驗證了非正交任意偏振-光譜信息處理能力在全息顯示和探測成像方面的可行性。進一步考慮非預定功能，可實現高精度的多任務并行分類器，展現在智能化應用中的巨大潛力。

未來，定制化全光場調控能力可為全光計算和高維傳感等前沿技術提供新解決方案。此外，該架構的可微分特性使其能夠無縫融合深度學習訓練，有望促進超構光學與人工智能（AI）在計算光學和光電混合網絡領域的協同優化。總體而言，本研究提出的系統級E2E設計架構，為多參量復雜光場調控設立了新標準，推動了高性能超構光學器件在多功能集成的先進光學系統中的應用，為未來光學科技的發展開辟了新的可能。