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美國斯坦福大學(xué)工程師開發(fā)出一套基于人工智能（AI）的全新設(shè)計框架，可大幅加速超表面等先進光學(xué)器件的研發(fā)，讓光學(xué)設(shè)計提速千倍，11分鐘即可完成復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計。該成果有望推動光學(xué)計算、天文學(xué)、增強現(xiàn)實等多個前沿領(lǐng)域發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《科學(xué)進展》雜志上。
超表面是一類由納米尺度結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的新型光子器件，這些結(jié)構(gòu)單元大小僅為一粒沙子的幾十萬分之一。正是這些納米級結(jié)構(gòu)，使超表面能夠以傳統(tǒng)光學(xué)元件無法實現(xiàn)的方式操控光線。
超表面在成像和傳感領(lǐng)域極具潛力。例如，將超表面集成進手機攝像頭后，它可以向用戶面部投射點陣光場，生成高分辨率全息圖像，用于身份識別。超逼真的全息圖像、用于自主機器人的新一代傳感器，以及輕薄的增強現(xiàn)實眼鏡，都是超表面這種新興光子器件的潛在應(yīng)用方向。然而，其精細(xì)尺度的設(shè)計也給光學(xué)工程師帶來了巨大挑戰(zhàn)。
為此，研究團隊開發(fā)了名為MetaChat的AI框架，將高速計算模型與具備自主決策和自我反思能力的AI智能體相結(jié)合。研究團隊表示，這是一次將AI智能體與計算模型深度融合的嘗試。
MetaChat的核心是一種全新的深度學(xué)習(xí)求解器FiLM WaveY-Net，可用于快速求解描述電磁場行為的麥克斯韋方程。與傳統(tǒng)數(shù)值方法相比，該模型的運行速度提升超過千倍，能在毫秒級時間內(nèi)完成原本需要數(shù)十分鐘的方程求解。
在此基礎(chǔ)上，研究人員構(gòu)建了多個AI智能體，分別模擬光學(xué)設(shè)計師、材料專家等角色。這些AI智能體并非簡單遵循預(yù)設(shè)流程，而是具備一定“自主性”，可在設(shè)計過程中進行自我反思，根據(jù)已有結(jié)果調(diào)整下一步策略，并在關(guān)鍵節(jié)點向人類用戶提出問題。研究團隊通過聊天界面與系統(tǒng)交互，使復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計過程變得更加直觀高效。
在測試中，MetaChat被用于解決數(shù)十個光學(xué)與光子工程問題。例如，在一次金屬透鏡設(shè)計任務(wù)中，系統(tǒng)僅用約11分鐘，就完成了一種可同時將藍(lán)光和紅光分別聚焦到不同位置的器件設(shè)計，其性能與當(dāng)前先進方案相當(dāng)。
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