一種新型全光學(xué)智能光譜儀

圖1.基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全光學(xué)智能光譜儀架構(gòu)

近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院許廷發(fā)教授科研團(tuán)隊與清華大學(xué)林星助理教授團(tuán)隊聯(lián)合開發(fā)了一種新型全光學(xué)智能光譜儀(Opto-Intelligence Spectrometer, OIS)。該設(shè)備基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了空間相干或空間非相干光源下的精準(zhǔn)光譜重構(gòu)，并具有低能耗和光速處理的顯著優(yōu)勢。相關(guān)成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”為題發(fā)表在國際頂尖光學(xué)期刊《Nanophotonics》上(中科大類1區(qū)，Top期刊)?！禢anophotonics》由德國Walter de Gruyter出版社發(fā)行，聚焦于探索光與物質(zhì)的相互作用及其基本原理和應(yīng)用等前沿進(jìn)展。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)碩士研究生王澤和清華大學(xué)博士后陳航，通訊作者為李佳男副研究員、許廷發(fā)教授和林星助理教授。

所開發(fā)的新型全光學(xué)智能光譜儀(OIS)通過將輸入光源的光譜幅度轉(zhuǎn)化為輸出平面上的探測強度，利用多個探測器對不同光譜帶的強度進(jìn)行精準(zhǔn)感知。通過建立輸入與輸出之間的映射關(guān)系，并采用兩種均方誤差(MSE)損失函數(shù)優(yōu)化調(diào)制層的相位分布，實現(xiàn)了高對比度的輸出強度分布和對輸入光源光譜的準(zhǔn)確重構(gòu)。原理如圖1所示。

驗結(jié)果表明，OIS在空間相干和空間非相干光源下，均展示了卓越的光譜重構(gòu)能力(見圖2)。

圖2.OIS光譜重構(gòu)結(jié)果，光譜分辨率10nm。左圖：隨機生成的光譜幅度分布及光譜重構(gòu)結(jié)果。右圖：輸出平面的強度分布。

此外，該設(shè)備在真實世界數(shù)據(jù)集CAVE上的應(yīng)用測試表明，其具備良好的泛化能力和實際應(yīng)用潛力(見圖3)。

圖3.OIS在真實世界數(shù)據(jù)集CAVE上的光譜重構(gòu)結(jié)果，光譜分辨率10nm。

該研究攻克了傳統(tǒng)光譜重建架構(gòu)的長期難題，如體積龐大的光學(xué)組件、程序復(fù)雜的電子重建算法和有限的靈活性，可以作為陣列化布局的基本單元，為全光速、高質(zhì)量的光譜成像奠定了基礎(chǔ)。