圖1.基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡的全光學智能光譜儀架構

近日，北京理工大學光電學院許廷發(fā)教授科研團隊與清華大學林星助理教授團隊聯(lián)合開發(fā)了一種新型全光學智能光譜儀(Opto-Intelligence Spectrometer, OIS)。該設備基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了空間相干或空間非相干光源下的精準光譜重構，并具有低能耗和光速處理的顯著優(yōu)勢。相關成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”為題發(fā)表在國際頂尖光學期刊《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用等前沿進展。該論文的第一作者為北京理工大學碩士研究生王澤和清華大學博士后陳航，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行精準感知。通過建立輸入與輸出之間的映射關系，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確重構。原理如圖1所示。

驗結果表明，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能力(見圖2)。

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

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

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

該研究攻克了傳統(tǒng)光譜重建架構的長期難題，如體積龐大的光學組件、程序復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。