机器学习赋能的光子学器件与系统：从创新设计到前沿应用

1.1 空间光学系统与集成微纳光子学系统简介

1.2 为什么要在光学系统中引入机器学习方法

1.3 人工智能和机器学习方法的基本概念与历史

1.4 机器学习方法在光子学设计中的应用案例简介

1.5 基于光子学器件搭建的光学神经网络应用简介

2.1 光子学器件的主要设计目标和调控思路

2.2 Ansys optics 光子学仿真软件操作简介与使用技巧

案例操作：基于双贝塞尔曲线的紧凑多模光学波导弯曲

案例操作：片上米散射结构色超构表面单元仿真

2.3 时域有限差分算法（FDTD）与空间传播器件模拟方法

案例操作：传播相位与几何相位超构单元仿真与平面超构透镜设计

2.4 片上波导器件仿真与片上超构光学器件设计

案例操作：片上的超构单元仿真与光学参数提取

2.5基于优化算法的光子学逆向设计

2.5.1  光子学逆向设计的概念与历史

2.5.2  基于粒子群算法的启发式光子学器件优化

案例操作：基于粒子群算法的光分束器设计

2.5.3 扩展：其他启发式优化方法简介

2.5.4 基于梯度方法的光子学器件拓扑优化

案例操作：基于拓扑优化方法的分束器设计

3.1 机器学习基础概念

3.2 监督学习与无监督学习

3.3 简单常见机器学习算法简介（如线性回归、SVM 等）

3.4  Python 编程基础

Ø  Python语言与特点简介

Ø  基本语法与特色数据结构（列表，元组，字典）

Ø  Numpy 科学计算库的使用

Ø  数据可视化工具Matplotlib 的使用

案例操作：绘制函数与分形图形

3.5  深度学习框架 Pytorch和Tensorflow简介

案例操作：回归算法的实现

4.1 深度学习简介

4.2 神经网络基础概念与结构

4.3 深度学习的基本原理与反向传播算法

4.4 常用深度网络模型简介

Ø  全连接网络(FC）

Ø  卷积神经网络（CNN）

Ø  带历史记忆的网络（如 RNN）

4.5 案例操作：基于 Python 的几种神经网络实现

Ø  全连接网络

Ø  卷积神经网络

Ø  U-Net

4.6 案例操作：一个手写数字识别网络模型的搭建与训练

5.1 微纳光子器件的基本原理与常见结构

5.2 基于深度学习的光谱预测与逆向设计 

案例分析：一维的和二维的全介质和金属SPR 材料的光谱预测

案例操作：级联网络的超构表面单元的光谱预测与逆向设计

5.3 基于机器学习的电磁近场预测和逆向设计

案例分析：大面积超构表面的近场预测与逆向设计

5.4 基于深度学习的超构单元生成

案例操作：基于生成-对抗网络的自由超构表面单元生成

6.1 深度学习在多样化的光学系统中的应用简介

6.2 深度学习在计算成像中的应用

案例操作：基于深度学习的非线性光纤单像素超高速成像

6.3 深度学习在图像处理中的应用

7.1 光子学器件构建的光学神经网络与应用

7.2 主动网络：光学矩阵-向量乘加运算器与光学神经网络加速器

7.3 被动网络：衍射光学神经网络

案例操作：基于片上衍射神经网络的超构光学器件用于图像分类

案例分析：基于衍射神经网络的太赫兹光学处理器（Science）

7.4 光学神经网络的优势与挑战总结

8.1 深度学习增强微纳光学芯片制造

案例分析：通过机器学习优化工艺容差与器件性能

8.2 深度学习后处理——光学测量功能增强

案例分析：基于深度学习的高分辨红外热波段雷达

8.3 非典型机器学习系统——万物皆可机器学习（Nature）

* 主要为最新应用进展简介   —根据课程时间及进度灵活更新

时间

课程内容

FDTD Solutions仿真全面教程：超构表面与光束操控的前沿探索

1、FDTD Solutions 求解物理问题的方法

1.1 FDTD与麦克斯韦方程 

1.2 FDTD中的网格化

2、FDTD Solutions 特点与应用

3、FDTD功能与使用

Ø  主窗口——CAD人机交互界面

Ø  计算机辅助设计（CAD）模拟编辑器:主标题栏、工具条、实体对象树实体对象库、脚本提示与脚本编辑窗口

4、FDTD仿真通用流程

Ø  激励光源选择及设置（以左旋圆偏光的设置为例）

Ø  模拟的实体对象：基底、结构（Structures）的选择及设置

Ø  仿真区域及其设置（以区域大小设置及mesh选择为例）

Ø  不同监视器功能及使用（以超构表面频域功率监视器设置为例）

Ø  材料库与材料浏览器（以多晶硅与二氧化钛的数据导入为例）

Ø  模拟计算与分析：资源管理、运行模拟

Ø  结果分析：视觉化器使用Visualize、使用脚本进行高级分析

实例内容：

（一）设置Pancharatnam–Berry型超构表面结构，单元旋向及位置

（二）传输型超构表面单元的结构扫描与选取

（三）传输型超构表面的相位分布设置

（四）通过相位叠加螺旋相位模拟生成漩涡光

（五）超构表面的透过率/聚焦效率的分析

（六）不同偏振态的光入射下，验证传输型超构表面偏振不敏感性

（七）利用脚本由近场计算远场

（八）利用脚本的导出结果及MATLAB结果分析—偏振转换效率计算

（九）利用TFSF计算纳米结构散射场信息

（十）利用TFSF和自定义材料计算复合结构散射场信息

（十一）利用MATLAB计算结果及脚本设置超构表面—生成全息图形

（十二）利用导入光源进行任意光源设置

（十三）利用脚本构建波导结构

（十四）波导截面本征模式分析

（十五）光栅优化扫描设计

5、PB型超构表面设计：生成聚焦及涡旋光斑

----（根据发表在Science上的论文

6、PB型超构表面设计：生成Airy光束

----（根据发表在ACS NANO上的论文）

7、传输型超构表面设计：生成Airy光束

----（根据发表在Photonics Research上的论文）

8、等离子激元纳米结构光学特性以及有效介质理论计算复合结构的光学特性：量化散射截面与吸收截面（根据发表在ACS Nano上的论文）

9、渐变耦合双波导设计：波导本征模式转换

（根据发表在Physical Review Letters上的论文）

10 L型截面波导设计：不同偏振波导本征模式转换

（根据发表在Physical Review Letters上的论文）

COMSOL光学仿真：光子学与电磁学应用案例解析与实战

（一）案列应用实操教学：

光子晶体能带分析、能谱计算、光纤模态计算、微腔腔膜求解

（二） 软件操作系统教学：

COMSOL

软件入门

COMSOL软件基本操作

Ø  参数，变量，探针等设置方法、几何建模

Ø  基本函数设置方法，如插值函数、解析函数、分段函数等

Ø  特殊函数的设置方法，如积分、求极值、求平均值等

Ø  高效的网格划分

前处理和后处理的技巧讲解

Ø  特殊变量的定义，如散射截面，微腔模式体积等

Ø  如何利用软件的绘图功能绘制不同类型的数据图和动画

Ø  数据和动画导出

Ø  不同类型求解器的使用场景和方法

COMSOL

软件进阶

COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础

Ø  COMSOL中求解电磁场的步骤

Ø  RF、波动光学模块的应用领域

RF、波动光学模块内置方程解析推导

Ø  亥姆霍兹方程在COMSOL中的求解形式

Ø  RF方程弱形式解析，以及修改方法(模拟特殊本构关系的物质)

Ø  深入探索从模拟中获得的结果

（如电磁场分布、功率损耗、传输和反射、阻抗和品质因子等）

边界条件和域条件的使用方法

Ø  完美磁导体和完美电导体的作用和使用场景

Ø  阻抗边界条件、过度边界条件、散射边界条件、周期性边界条件的作用

Ø  求解域条件：完美匹配层的理论基础和使用场景、 PML网格划分标准

Ø  远场域和背景场域的使用

Ø  端口使用场景和方法

Ø  波束包络物理场的使用详解

波源设置

Ø  散射边界和端口边界的使用方法和技巧（波失方向和极化方向设置、S参数、反射率和透射率的计算和提取、高阶衍射通道反射投射效率的计算）

Ø  频域计算、时域计算

Ø  点源，如电偶极子和磁偶极子的使用方法

材料设置

Ø  计算模拟中各向同性，各向异性，金属介电和非线性等材料的设置

Ø  二维材料，如石墨烯、MoS2的设置

Ø  特殊本构关系材料的计算模拟(需要修改内置的弱表达式)

网格设置

Ø  精确仿真电磁场所需的网格划分标准

Ø  网格的优化

Ø  案列教学

COMSOL WITH MATLAB功能简介

Ø COMSOL WITH MATLAB 进行复杂的物理场或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射计算)

Ø COMSOL WITH MATLAB 进行复杂函数的设置(如石墨烯电导函数的设置和仿真)

Ø  COMSOL WITH MATLAB 进行高级求解运算和后处理

Ø  COMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能带

第一部分、Comsol软件基础和声学仿真基础（入门）

1. 理解有限元方法基本原理、应用领域及仿真一般流程；

2. 能够在Comsol 软件中进行几何建模、网格划分及参数化扫描分析，设置研究类型和节点；

3. 掌握声学模型接口选择标准、振动与波的物理原理，以及声学特征频率和模态分析；

4. 熟悉不同声源及边界条件（如辐射和反射边界）的应用和影响；

5. 理解瞬态分析的原则、网格精度和时间步长要求，能够进行动态结果处理；

6. 在实操技能方面能够独立完成CAD模型导入和声学频域和瞬态仿真分析，完成数据后处理和结果可视化，以上理论知识和操作技能为深入学习声学仿真奠定基础；

有限元仿真基础介绍

Ø  有限元方法的基本概念

Ø  有限元方法的应用领域

Ø  有限元方法的基本工作流程

Comsol软件操作基础介绍

Ø  几何建模、布尔操作、CAD导入模块接口  

Ø  网格划分及其精度要求

Ø  常用研究类型及研究节点配置

Ø  参数化扫描求解分析设置

实操案例：复杂CAD模型的导入及几何修复  

实操案例：极小曲面模型的导入及布尔操作

声学模块基础介绍

Ø  物理场接口适用范围及选择技巧

Ø  振动与波的物理基础及控制方程

Ø  时域和频域下的声学方程解析

Ø  声学特征频率和模态分析

实操案例：声学三维打印谐振腔的本征态分析及数据后处理

压力声学的声源和声学边界条件介绍

Ø  常用声源：入射压力场、法向加速度、背景压力场

Ø  特殊声源：单极源、偶极源、线源等

Ø  开边界：辐射边界和完美匹配层

Ø  反射边界条件：硬声场、软声场和阻抗边界

Ø  特殊情况：对称、周期性、内部多孔等

实操案例：内燃机消声器内压力波的传播特性分析

压力声学瞬态声场分析介绍

Ø  瞬态分析的使用原则和技巧

Ø  瞬态分析的网格精度要求

Ø  瞬态分析的时间步长精度要求

Ø  压力声学瞬态分析及动画后处理

Ø  压力声学频域分析与瞬态分析的关联和区别

实操案例：十字形波导管的瞬态仿真分析

第二部分、声学/力学/机械超材料和拓扑特性仿真基础（进阶）

1. 通过能带结构理论学习，理解晶体点阵与倒易点阵的关系，掌握布里渊区

及高对称点的计算；

2. 掌握一维和二维超材料的能带结构计算方法，进行空气声场和弹性波的带隙分析；

3. 掌握三维能带结构与传输谱的计算，分析几何参数对能带结构的影响；

4. 进行声学超材料的传输特性和热粘性损失分析，包括适用条件和效率提升技巧；

5. 理解拓扑声学概念，掌握狄拉克点和拓扑边缘态的仿真分析；

6. 通过一系列实操案例加深对能带结构、传输特性及拓扑特性的理解，为声学/力学/机械超材料实际应用提供扎实基础；

能带结构理论基础

Ø  晶体点阵和倒易点阵概念和关联

Ø  倒易点阵的反演推导和物理意义

Ø  布里渊区的内涵和确定方法

Ø  高对称边界和高对称点的坐标推导

超材料能带结构计算与仿真基础

Ø  一维能带结构计算方法和分析

Ø  二维正方点阵能带结构计算方法和分析

Ø  二维三角点阵能带结构计算方法和分析

Ø  二维固体弹性波的能带结构计算方法和分析

实操案例：二维正方点阵空气声场的带隙计算

实操案例：二维三角点阵空气声场的带隙计算

实操案例：结构力学模块下固体弹性板的带隙计算

声学超材料能带结构和传输谱计算进阶与提高

Ø  三维能带结构计算方法和分析

Ø  声学超材料的三维能带仿真计算和分析

Ø  结构几何参数与单胞取法差异对能带结构的影响分析

Ø  声学等效参数的获取与仿真分析

Ø  常用函数的定义与设置技巧

实操案例：三维声学超材料的能带结构仿真

实操案例：由二维能带转变为三维能带结构仿真

实操案例：复合胞能带折叠与单胞能带结构对比分析

实操案例：声学超材料等效参数仿真分析

实操案例：高斯波束/声整形/声隐身/声隧穿仿真分析

声学超材料传输特性及热粘性损失分析

Ø  声学超材料传输特性扫频分析

Ø  声学边界层和损耗分析

Ø  狭窄区域声学接口适用条件分析

Ø  热粘性声学接口下的声传输特性分析

Ø  热粘性损失的适用场景及计算效率提升技巧

实操案例：开口谐振环的声传输特性仿真分析

实操案例：考虑热粘性损失的声传输特性仿真分析

拓扑绝缘体理论基础和仿真分析

Ø  拓扑声学的基本概念和内涵

Ø  声学单/双狄拉克点的仿真与分析  

Ø  拓扑相位反转与声学拓扑边缘态的仿真与分析

Ø  声学高阶角态的仿真与分析

Ø  声学拓扑绝缘体的传输特性分析

实操案例：二维声学结构狄拉克点/拓扑相位仿真分析  

实操案例：二维声学体能带结构/拓扑态/传输特性仿真分析

实操案例：高阶拓扑声学仿真和应用分析

第三部分、声学微尺度操控（声镊方法）仿真基础（进阶）

1. 理解声镊的概念及其工作原理，包括声辐射力和声流效应，探讨声操控的应用场景及最新研究进展；

2. 学习声操控方法的分类及构建方法，掌握声学换能器的激励输入和微粒动力学仿真分析；

3. 以空气泡型声学微流控为例，进行多物理场分析，理解耦合边界条件的选择，实施声流场的仿真分析；

4. 深入压电、声固和声流耦合的多物理场理解，进行谐振模式分析，配置研究步骤模型，实现多物理场的综合分析；

5. 分析声学超材料的能带结构及微流控中的雷诺数，比较声辐射力和声粘滞力，探讨声拓扑态在微粒分选中的应用；

6. 通过实操案例，加深对声学微尺度操控和仿真技术的理解，为实际声操控应用提供基础；

声操控方法的理论基础和研究进展

Ø  声操控方法（声镊）的概念和内涵

Ø  声辐射力/声流效应理论基础  

Ø  声操控方法的应用场景和研究发展

基于声驻波方法的微粒操控仿真

Ø  声驻波的理论基础和基本分类

Ø    声学换能器振动激励输入与物理量转化

Ø    声驻波场构建、微粒参数设定及因变量设定

Ø  声场作用下微粒运动过程动力学仿真分析

实操案例：声换能器声悬浮应用与仿真分析

空气泡型声学微流控声涡流效应仿真

Ø  多物理场分析与物理场选择

Ø  声流耦合多物理场的耦合边界条件

Ø  研究中的物理场和多物理场耦合边界选择

Ø  计算收敛性和全局约束的使用

实操案例：空气泡型微流控中声流场仿真分析

压电耦合-声固耦合-声流耦合综合仿真分析

Ø  多物理场分析与物理场选择

Ø  压电耦合-声固耦合-声流耦合多物理场理解与分析

Ø  谐振模式分析与特征频率选取

Ø  四个物理场耦合情况下的研究步骤模型配置

实操案例：声微流控富集效应仿真分析

基于声学超材料的微流控综合仿真分析

Ø  一维声学超材料的单胞能带结构与体能带结构分析

Ø  声微流控中雷诺数计算与层流速度场分析

Ø  声辐射力与声粘滞力仿真比较

Ø  声拓扑态对微粒分选的运动仿真及动画输出

实操案例：基于声学拓扑绝缘体的微粒分离仿真分析

第四部分、声学结构优化与工程化声学综合案例仿真（提升）

1. 理解拓扑优化的概念，模型选择和目标函数的设定；学会设计域和边界条件的配置，以及优化结果的分析和验证；

2. 掌握声学无损检测的基本原理及现状，学习声阻抗的匹配和波的转化关系，了解几何装配中接触对的应用及时域信号的仿真分析；

3. 分析扬声器的多物理场环境，掌握多物理场耦合及动网格的应用，学习傅里叶变化和周期性信号分析，以及瞬态过程中非线性特性的处理；

4. 通过实操案例，进一步深化对声学结构优化、无损检测和扬声器声场仿真的理解，为工程应用提供坚实基础；

声学结构拓扑优化仿真分析

Ø  拓扑优化的概念和基本内涵

Ø  拓扑优化模型选取及目标函数设定

Ø  设计域和边界条件设定

Ø  拓扑优化结果分析及结果输出

Ø  优化后建模与分析验证

实操案例：二维声学结构拓扑与验证分析

固体结构的声学无损检测仿真与健康检测

Ø  声学无损检测的基本原理和发展现状

Ø  匹配层声阻抗设定

Ø  压缩波与剪切波的转化关系

Ø  几何装配关系中接触对的使用

Ø  结合试验数据的时域信号仿真分析

实操案例：声学无损检测仿真分析

高品质扬声器设备声场仿真分析

Ø  扬声器中多物理场环境及分析

Ø  多物理场耦合的选择与应用

Ø  动网格的使用及注意事项

Ø  傅里叶变化与周期性信号分析

Ø  扬声器瞬态过程中的非线性特性分析

实操案例：扬声器声场仿真分析与工程应用