Ученые ИТМО представили первую в мире ИИ-модель для проектирования сверхчувствительной оптики

Метаповерхности — это плоские оптические элементы, поверхность которых состоит из множества наноразмерных структур. Эти структуры определяют то, как свет будет проходить через материал или отражаться от него: они могут фокусировать луч, менять его направление, поляризацию или спектральный состав. В перспективе такие элементы могут заменить или дополнить громоздкие наборы линз, зеркал и фильтров в камерах, очках виртуальной реальности и медицинских приборах, делая устройства легче, компактнее и функциональнее. Однако проектировать метаповерхности вручную крайне сложно. Их оптические свойства зависят сразу от многих параметров: формы наноэлемента, его толщины, оптических свойств материала и расстояния между соседними элементами. При этом инженеру нужно получить строго заданный отклик на свет — например, пропустить только нужную длину волны или сфокусировать луч без искажений. Даже небольшое изменение геометрии может привести к тому, что свет поведет себя не так, как было задумано.

Раньше ученые во многом полагались на физическую интуицию, опыт и общие представления о том, как свет взаимодействует с наноструктурами. Исследователь предлагал возможную геометрию метаповерхности, исходя из известных физических принципов, затем запускал компьютерное моделирование — то есть рассчитывал, как такая структура будет взаимодействовать со светом, — и сравнивал результат с тем, что требовалось. Если рассчитанный спектр не совпадал с желаемым, цикл повторяли снова. Этот процесс занимал много времени и сильно зависел от навыков исследователя. Первые ИИ-помощники ускорили подбор, но в ущерб качеству: часть параметров (толщина, материал) задавали вручную, а спектр — график отклика на свет разных частот — намеренно огрубляли, чтобы расчеты занимали меньше времени. В итоге модель могла упустить мелкие детали спектра.

«Для работы устройств эти детали критичны. Линза должна правильно фокусировать свет нужного цвета, фильтр — пропускать одни длины волн и подавлять другие, а сенсор может быть чувствителен именно к узкому резонансному пику — резкому всплеску отклика на одной конкретной частоте. Если при обучении ИИ спектр слишком сильно упростить, модель может не заметить такие особенности и предложить структуру, которая на грубом приближении  выглядит правильной, но на практике работает хуже. Поэтому „мелкие детали“ в спектре крайне важны», — пояснил руководитель группы разработки проекта MetaDiT, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Андрей Богданов.

Разработка ученых Нового физтеха ИТМО решает эту проблему. MetaDiT (Metasurface Diffusion Transformer  — диффузионный трансформер для проектирования метаповерхностей) генерирует и двумерный рисунок наноструктуры, и ее физические параметры — толщину, период, показатель преломления. При этом модель ориентируется на подробное описание желаемого спектра. Работа ведется в два шага. Сначала MetaDiT «читает» график того, как будущая поверхность должна взаимодействовать со светом, — со всеми пиками и провалами в спектрах отражения и прохождения. Затем, опираясь на это описание, она собирает готовую наноструктуру. Сборка начинается с хаотичной заготовки — случайного набора пикселей, — которая постепенно превращается в четкий узор, который дает нужный оптический отклик.

«В метаповерхностях одинаково важны и общая картина спектра, и его мелкие детали. Поэтому мы заложили в архитектуру два уровня управления. Первый, грубый, задает модели общую задачу: в какой части диапазона свет должен проходить хорошо, а в какой — нет. Второй, тонкий, помогает не упустить локальные особенности — узкие резонансы, пики, провалы, которые часто и определяют, будет устройство работать или нет. По отдельности общая картина и детали не дают полной точности: в первом случае модель рискует пропустить важные особенности, во втором — потерять общий контекст. Совмещая оба уровня, мы помогаем модели удержать и то, и другое. Поэтому MetaDiT — это скорее не “художник”, дорисовывающий узор по шаблону, а “инженер”, который проектирует структуру под конкретную физическую задачу», — рассказал ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Андрей Богданов.

В сравнительных тестах с более ранними моделями MetaDiT показала меньшую ошибку при воспроизведении заданных спектров. Исследователи оценивали не только среднее отклонение по всей кривой, но и накопленную погрешность вдоль частотной оси — то есть насколько точно модель попадает в каждую точку спектра. Кроме того, MetaDiT работает стабильнее: если несколько раз запустить генерацию для одного и того же задания, разброс результатов получается минимальным.

Модель генерирует одну элементарную ячейку метаповерхности — микроскопический строительный блок размером меньше длины волны света. Чтобы получить работающее устройство — например, плоскую линзу или фильтр, — из таких ячеек собирают двумерный массив, как мозаику. В разных точках устройства нужны ячейки с разными оптическими свойствами, и модель позволяет генерировать их под конкретные требования.

Разработка велась около полутора лет на базе совместного научного центра в Харбинском инженерном университете в Циндао (Китай) в рамках фокусировки ИТМО на интегральную фотонику и объединила специалистов по фотонике, метаматериалам и машинному обучению. Статья о разработке была принята на конференцию AAAI-26 в Сингапуре — одну из самых престижных мировых площадок по искусственному интеллекту.

Далее научная группа планирует научить модель учитывать ограничения реального производства: минимально возможные размеры элементов, чувствительность к дефектам при изготовлении. Затем исследователи планируют перейти от генерации одиночных ячеек к проектированию целых устройств — плоских линз для камер, оптических сенсоров и чипов для интегральной фотоники, где свет используется для передачи и обработки информации внутри микросхем. Завершающим шагом станет изготовление структур в лаборатории и проверка их реальных оптических свойств.