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Physics-informed recurrent neural network for time dynamics in optical resonances

趋同(经济学) 忠诚 人工神经网络 计算机科学 物理 共振(粒子物理) 高保真 人工智能 粒子物理学 声学 电信 经济 经济增长
作者
Yingheng Tang,Jichao Fan,Xinwei Li,Jianzhu Ma,Minghao Qi,Cunxi Yu,Weilu Gao
出处
期刊:Nature Computational Science [Springer Nature]
卷期号:2 (3): 169-178 被引量:45
标识
DOI:10.1038/s43588-022-00215-2
摘要

Resonance structures and features are ubiquitous in optical science. However, capturing their time dynamics in real-world scenarios suffers from long data acquisition time and low analysis accuracy due to slow convergence and limited time windows. Here we report a physics-informed recurrent neural network to forecast the time-domain response of optical resonances and infer corresponding resonance frequencies by acquiring a fraction of the sequence as input. The model is trained in a two-step multi-fidelity framework for high-accuracy forecast, using first a large amount of low-fidelity physical-model-generated synthetic data and then a small set of high-fidelity application-specific data. Through simulations and experiments, we demonstrate that the model is applicable to a wide range of resonances, including dielectric metasurfaces, graphene plasmonics and ultra-strongly coupled Landau polaritons, where our model captures small signal features and learns physical quantities. The demonstrated machine-learning algorithm can help to accelerate the exploration of physical phenomena and device design under resonance-enhanced light–matter interaction. Cascaded gated-recurrent-unit networks trained through a physics-informed multi-fidelity approach can accurately forecast long time sequences and capture their dynamics in a wide range of optical resonance structures and features.
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