[發明專利]基于異步強化學習的非對稱光偏振器件結構及其設計方法

在審

• 申請號: 202110656127.9
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113378388A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 高雅玙;易楚翹;杜慶國;陳志偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06K9/62;G06N3/04
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 藍曉玉

本發明屬于偏振器件設計技術領域，公開了一種基于異步強化學習的非對稱光偏振器件結構及其設計方法，仿真數據集預處理，透射率預測網絡搭建和初始化；透射率預測網絡訓練，異步強化學習算法優化非對稱偏振轉換器件結構。本發明利用深度神經網絡，通過透射率預測網絡由結構數據準確的預測出透射率屬性，并由異步強化學習算法高效省時的反向最優化設計非對稱光偏振轉換器件的結構。本發明基于殘差結構的深度神經網絡的透射率預測網絡、異步強化學習算法，通過有效的降采樣數據并進行合理的劃分，使得透射率預測網絡得到有效的訓練并利用異步強化學習算法最優化設計非對稱光偏振轉換器件的結構，提高了設計的效率的同時也提高了器件的最大透射率。

技術領域

本發明屬于偏振器件設計技術領域，尤其涉及一種基于異步強化學習的非對稱光偏振器件結構及其設計方法。

背景技術

目前，偏振是電磁波的一種重要屬性，其在成像，軍事，導航，衛星通訊等方面具有廣闊的研究價值。然而傳統的偏振調控主要利用半波片和二色性晶體實現。其原理是通過電磁波在內部傳播時，偏振方向互相垂直的光隨著傳播距離的增加其相位差的累積，從而導致偏振轉換。但是，傳統的方法所帶來的效果不理想，如轉換效率不高，帶寬窄等缺點。

近幾十年來，隨著人工電磁結構(超材料)的迅猛發展，其日益所表現出獨特的性質為解決傳統材料帶來的問題提供了一種新的方法。超材料是按照一定的組合方式對一種或多種亞波長單元在空間上進行重塑，這樣可以實現在亞波長尺度內對電磁波進行任意控制。同時，可以實現自然媒質所不具備的特性，如負折射率特性、旋光性和逆多普勒效應等。

總的來說，一切由人工亞波長結構組成的光學系統都可以成為超材料。通常在具有偏振調控性能的超材料中包括兩大熱門分支即各向異性超材料(超表面)和手性超材料。其中，各向異性超材料(超表面)主要引入在兩個正交方向不同的相位差，從而獨立的控制不同方向偏振的響應。而手性超材料，由于在結構上不具有任何對稱性，導致電磁波在結構內發生電磁耦合，從而可以實現對電磁波進行有效的調控。

傳統偏振轉換超表面結構設計方案當中，主要通過如圖6所示的數值仿真工具以及人工調整兩大循環過程來進行設計。對于設計的偏振轉換超表面首先需要確定偏振轉換超表面的結構類型(是各向異性結構，還是手形結構，又或者是手形結構與各向異性的結合)，結構的周期大小(決定偏振器件的工作波段)以及各層的材料。在確定好結構類型，材料以及周期大小之后，隨意初始化每一個超表面結構參數(包括每層的厚度，介質層的折射率大小等參數)為合理的參數值，之后按照仿真工具(如Lumerical公司的FDTD軟件)的要求，使用計算機語言建立數值仿真所需的數學模型。之后，按照每一個結構參數的先后順序或是其他邏輯順序從中選擇一個結構參數進行作為等待調節參數層，其余的結構參數固定不變。利用數值仿真工具對當前的結構進行仿真，從而得出偏振轉換超表面的交叉偏振透過率與同向偏振透過率。進而判斷當前偏振轉換超表面的性能是否最佳，如果不是最佳，接著通過專家的先驗知識來指導應當如何調節當前待優化結構參數的值；如果是最佳，那么繼續選擇下一待調節結構參數進行調整。當所有結構參數均已被調節為最優，那么設計過程即為完成。

傳統的偏振轉換超表面結構設計的缺點主要體現在以下方面：

選取偏振轉換超表面的結構類型、結構的周期大小以及各層的材料需要依賴于大量的前期實驗的工程經驗，同時需要專家的介入來判斷各參數選取的合理性，這會浪費大量的人力物力。

每一次針對偏振轉換超表面結構當中的一個結構參數進行調節之后都必須新建不同的仿真模型，這需要專業人員的介入，同時會耗費不必要的時間在理論模型的建立和微調上。

每次對偏振轉換超表面的結構進行調整，不僅需要重新建立仿真模型，而且需要重新耗費大量的時間進行仿真計算和模型求解來得到偏振轉換超表面的交叉偏振透過率T_yx與同向偏振透過率T_yy。