Snapshot-Full-Stokes-Bildgebungs-Spektropolarimeter basierend auf polarisationsaufgelöster Metaoberfläche mit KI-gestütztem inversen Design

• Antragsteller: Dr.-Ing. Chia-Wei Chen
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565580671

Dieser gemeinsame Vorschlag von DFG und NSTC wird zur Entwicklung, Herstellung und Montage eines neuartigen, kompakten und schnellen Sensorsystems zur Erfassung quantitativer räumlicher, spektraler und polarisationsbezogener Bilder mit einem multifunktionalen Metagitter beitragen. Das Polarimeter kann spektroskopische Bilder messen und vollständige Stokes-Vektoren ohne Wellenlängenabtastung erhalten. Die Kompaktheit von Metaoberflächen ermöglicht eine Miniaturgröße des abbildenden Spektropolarimeters. Darüber hinaus benötigt das System keine mechanischen Komponenten (z. B. Drehtische für Wellenplatten), um die vollständigen Stokes-Vektoren zu analysieren. Die Hauptidee, um dies zu erreichen, ist die Verwendung eines Meta-Oberflächengitters, das das Licht auf der Grundlage seines Polarisationszustands aufspaltet. Das vorgeschlagene Gitter kann vier spektroskopische Bilder mit unterschiedlichen Polarisationszuständen durch +1 und -1 Beugungsordnungen auf zwei verschiedenen kartesischen Koordinaten erzeugen. Die vier Bilder liefern ausreichende Informationen zur Berechnung der Stokes-Parameter. Die polarisationsaufgelöste hyperspektrale Bildgebung ist in der Lage, mehr Spektral-, Raum- und Polarisationsinformationen für Forschung und industrielle Anwendungen zu liefern, z. B. dreidimensionale Bildgebung für Geometrie und Oberflächenrekonstruktion, Messungen physikalischer Eigenschaften wie spannungsinduzierte Doppelbrechung und Brechungsindex, Objekterkennung und Qualitätsprüfung sowie Fernerkundung von Schadstoffen für die Luftqualität. Der Entwurfsprozess von Metasurface-Strukturen erfordert in der Regel zahlreiche Versuche und Irrtümer, und der Zeitbedarf hängt von der Größe und dem Bereich der Entwurfsparameter ab. Zur Beschleunigung und Vereinfachung des Entwurfsprozesses von Metasurfaces für die Polarisationsbildgebung wird ein inverser Entwurfsrahmen auf der Grundlage eines generativen Modells (GPT-basiert) für Metasurface-Strukturen (Materialien und Formen) vorgeschlagen. Struktur-Token und Struktur-Serialisierung werden verwendet, um die Metasurface-Struktur in eine Sequenz umzuwandeln. Der vorgeschlagene Rahmen kann auf der Grundlage der erforderlichen Polarisationszustände und -spektren geeignete Metagrafiken erzeugen. Dieses Grundmodell kann die Vielfalt und Flexibilität des inversen Entwurfsprozesses erhöhen. Nach der Strukturgestaltung wertet das Vorwärtsmodell (Training oder physikalisch basiert) die Spektren und Polarisationszustände für die erzeugten Strukturen aus. Anschließend werden die ausgewählten Strukturen durch die physikalische Simulation für das endgültige Design weiter optimiert („Feintuning“). Dieser Rahmen wird den Zeitaufwand im Vergleich zum herkömmlichen Entwurfsprozess erheblich reduzieren. Darüber hinaus kann das Modell für jede beliebige Polarisationsanwendung eingesetzt werden, z. B. Polarimetrie, Ellipsometrie, Polarisationsholographie und Bioimaging, nicht nur für die Stokes-Bildgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Chih-Ming Wang