Metasurface‐Based Terahertz Three‐Dimensional Holography Enabled by Physics‐Informed Neural Network

全息术 计算机科学 太赫兹辐射 计算 人工神经网络 过程(计算) 实现(概率) 相(物质) 人工智能 图像质量 计算全息 推论 质量(理念) 迭代和增量开发 可视化 全息显示器 钥匙(锁) 违反直觉 计算机视觉 算法 相位调制 光学 信号(编程语言) 振幅 调制(音乐) 调幅 相位恢复 电子工程 编码(内存) 曲线波变换 图像(数学) 物理 信号处理 相似性(几何)
作者
Jingzhu Shao,Ping Tang,Borui Xu,Xiangyu Zhao,Yudong Tian,Yuqing Liu,Chongzhao Wu
出处
期刊:Advanced Optical Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adom.71712
摘要

ABSTRACT Artificial intelligence has revolutionized optical device design, overcoming the efficiency bottlenecks of traditional methods. For holographic metasurfaces, conventional iterative algorithms suffer from time‐consuming iterations and convergence stagnation, especially as the complexity of 3D target fields increases. While deep learning‐based algorithms have improved the trade‐off between speed and image quality, most existing models remain constrained by predefined physical scenarios. To address these challenges, we develop LM‐PINN, a physics‐informed neural network that integrates local polynomial fitting with multi‐plane wave propagation, for the rapid design of terahertz 3D holographic metasurfaces. Through self‐supervised training, LM‐PINN enables direct end‐to‐end mapping from target holographic patterns to metasurface structures within a predefined holographic configuration, without labeled datasets. Both simulated and experimental results from LM‐PINN demonstrate higher imaging quality than traditional iterative algorithms. We further incorporate distance encoding into LM‐PINN, yielding Dist‐LM‐PINN. Dist‐LM‐PINN enables a single trained model to generalize across varying diffraction distances and demonstrate 2D/3D holographic scenarios without retraining by utilizing the precomputed electric‐field distributions at the metasurface plane as inputs. The proposed framework typically completes inference in less than 1 second, providing a multifold speed advantage over traditional algorithms and offering a fast and flexible framework for high‐quality, real‐time, and large‐scale 3D holographic technologies.
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