一种新型全光学智能光谱仪

近日，北京理工大学光电学院许廷发教授科研团队与清华大学林星助理教授团队联合开发了一种新型全光学智能光谱仪（Opto-Intelligence Spectrometer, OIS）。该设备基于衍射神经网络技术，实现了空间相干或空间非相干光源下的精准光谱重构，并具有低能耗和光速处理的显著优势。相关成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”为题发表在国际顶尖光学期刊《Nanophotonics》上（中科大类1区，Top期刊）。《Nanophotonics》由德国Walter de Gruyter出版社发行，聚焦于探索光与物质的相互作用及其基本原理和应用等前沿进展。该论文的第一作者为北京理工大学硕士研究生王泽和清华大学博士后陈航，通讯作者为李佳男副研究员、许廷发教授和林星助理教授。

所开发的新型全光学智能光谱仪（OIS）通过将输入光源的光谱幅度转化为输出平面上的探测强度，利用多个探测器对不同光谱带的强度进行精准感知。通过建立输入与输出之间的映射关系，并采用两种均方误差（MSE）损失函数优化调制层的相位分布，实现了高对比度的输出强度分布和对输入光源光谱的准确重构。原理如图1所示。  

图1.基于衍射神经网络的全光学智能光谱仪架构。

实验结果表明，OIS在空间相干和空间非相干光源下，均展示了卓越的光谱重构能力（见图2）。此外，该设备在真实世界数据集CAVE上的应用测试表明，其具备良好的泛化能力和实际应用潜力（见图3）。

图2.OIS光谱重构结果，光谱分辨率10nm。左图：随机生成的光谱幅度分布及光谱重构结果。右图：输出平面的强度分布。

图3.OIS在真实世界数据集CAVE上的光谱重构结果，光谱分辨率10nm。

该研究攻克了传统光谱重建架构的长期难题，如体积庞大的光学组件、程序复杂的电子重建算法和有限的灵活性，可以作为阵列化布局的基本单元，为全光速、高质量的光谱成像奠定了基础。

论文详情：Wang, Z., Chen, H., Li, J., Xu, T., Zhao, Z., Duan, Z., Gao, S. & Lin, X. (2024). Opto-intelligence spectrometer using diffractive neural networks. Nanophotonics. doi: 10.1515/nanoph-2024-0233.

论文链接：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2024-0233/html