Enhanced light–matter interactions in dielectric nanostructures via machine-learning approach

光子学 计算机科学 波前 激光线宽 光学 物理 激光器
作者
Lei Xu,Mohsen Rahmani,Yixuan Ma,Daria A. Smirnova,Khosro Zangeneh Kamali,Fu Deng,Yan Kei Chiang,Lujun Huang,Haoyang Zhang,Stephen Jay Gould,Dragomir N. Neshev,Andrey E. Miroshnichenko
出处
期刊:Advanced photonics [SPIE - International Society for Optical Engineering]
卷期号:2 (02): 1-1 被引量:32
标识
DOI:10.1117/1.ap.2.2.026003
摘要

A key concept underlying the specific functionalities of metasurfaces, i.e. arrays of subwavelength nanoparticles, is the use of constituent components to shape the wavefront of the light, on-demand. Metasurfaces are versatile and novel platforms to manipulate the scattering, colour, phase or the intensity of the light. Currently, one of the typical approaches for designing a metasurface is to optimize one or two variables, among a vast number of fixed parameters, such as various materials' properties and coupling effects, as well as the geometrical parameters. Ideally, it would require a multi-dimensional space optimization through direct numerical simulations. Recently, an alternative approach became quite popular allowing to reduce the computational cost significantly based on a deep-learning-assisted method. In this paper, we utilize a deep-learning approach for obtaining high-quality factor (high-Q) resonances with desired characteristics, such as linewidth, amplitude and spectral position. We exploit such high-Q resonances for the enhanced light-matter interaction in nonlinear optical metasurfaces and optomechanical vibrations, simultaneously. We demonstrate that optimized metasurfaces lead up to 400+ folds enhancement of the third harmonic generation (THG); at the same time, they also contribute to 100+ folds enhancement in optomechanical vibrations. This approach can be further used to realize structures with unconventional scattering responses.
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