導讀

近日，北京理工大學黃玲玲教授團隊實現(xiàn)基于超構(gòu)表面的拉普拉斯光學微分處理器，可以激發(fā)對入射角度具有選擇性的環(huán)形偶極共振，能夠在實空間直接對目標圖案完成二階二維的邊緣檢測，數(shù)值孔徑接近0.4，工作波長范圍大于100 nm。該器件在光學成像、機器視覺和生物醫(yī)學成像等領域具有廣闊的應用潛力。相關研究成果以“Laplace Differentiator Based on Metasurfacewith Toroidal Dipole Resonance”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

圖1基于環(huán)形偶極共振超構(gòu)表面的拉普拉斯微分器示意圖

研究背景

與傳統(tǒng)的數(shù)字電子計算相比，光學計算以其固有的并行處理能力、高計算速度和低損耗在實現(xiàn)數(shù)學運算和圖像處理方面越來越受到重視。特別是，光學微分操作允許對目標物體進行邊緣檢測，使物體特征信息可以被快速識別，這對于自動駕駛、生物醫(yī)學成像、增強和虛擬現(xiàn)實(AR/VR)等現(xiàn)代技術的發(fā)展至關重要。

一般來說，實現(xiàn)光學空間模擬微分有兩種方法。根據(jù)傅里葉光學知識，傳統(tǒng)的4f濾光系統(tǒng)可以在傅里葉域?qū)D像微分，但這種系統(tǒng)體積較大，難以實現(xiàn)緊湊的集成和小型化。近年來，超構(gòu)表面這種人工光子結(jié)構(gòu)能夠有效地控制和靈活地操縱光場，不僅可以應用于多功能全息、光譜成像、光傳感、量子糾纏等領域，而且為實現(xiàn)圖像的光學微分操作和邊緣檢測提供了強大的平臺。利用表面等離激元共振、光子自旋霍爾效應和Pancharatnam-Berry相位可以實現(xiàn)超構(gòu)表面微分器。然而，大多數(shù)方法都局限于一維或單一方向的微分，有些方法還需要額外的組件來完成，或者由于相關結(jié)構(gòu)的光學響應有限而導致低NA，或只能在窄帶情況下工作，這些問題都極大地限制了微分器的實際應用。

研究亮點

針對上述實際挑戰(zhàn)，研究人員利用超構(gòu)表面在空域直接實現(xiàn)拉普拉斯微分算子，這種微分算子本質(zhì)是一種具有各向同性能力的高通濾波器，能夠使圖像低頻分量被濾除，而高頻分量被保留，最終獲得圖像各個方向的邊緣信息。這種光學特性可以通過具有環(huán)形偶極共振的超構(gòu)表面來實現(xiàn)，原因是在正入射對稱系統(tǒng)中，環(huán)形偶極共振通常被認為是非輻射暗模式，這有助于在這種情況下獲得接近零的透過率。當引入斜入射時，系統(tǒng)的對稱性被打破，環(huán)形偶極共振會耦合出去，從而影響光譜傳輸特性。基于此原理，研究人員設計了單層硅方形孔超構(gòu)表面，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種超構(gòu)表面能夠在近紅外波段的1155nm處激發(fā)低Q值的環(huán)形偶極共振，并且其透射光譜在正入射下為零，隨著入射角度的增大，透射光譜強度逐漸升高。

圖2 方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和共振特性

為進一步驗證方形孔超構(gòu)表面透射光譜和入射角度的具體關系以及入射偏振態(tài)的影響，研究人員分析了P偏振光和S偏振光下透射光譜的特性，如圖3所示。表明所設計的方形孔超構(gòu)表面可以在P偏振光下得到光學拉普拉斯運算所需的光學傳遞函數(shù)，并使得該函數(shù)在各個方位角關于入射角滿足二次關系，從而在空間域中可以直接實現(xiàn)二維二階微分。

圖3 方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器的透射光譜及角色散關系

實際實驗結(jié)果如圖4所示，所設計的拉普拉斯微分器可以在空域直接對“北理工”三個漢字圖像完成二階二維邊緣檢測，使得漢字的每個邊緣周圍形成兩條緊密間隔的線條。同時，通過測試這種拉普拉斯微分器對標準分辨率板的成像效果，表明其能分辨出第7組第6個元素的線寬，相當于其至少可以對線寬為2.19μm的目標物體完成二階二維邊緣檢測，實驗結(jié)果與預期吻合良好。

圖4 方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器的邊緣檢測及分辨率驗證

隨后，為了驗證所設計的拉普拉斯微分器的寬帶特性，研究成員在1100nm到1210nm范圍內(nèi)對未染色的洋蔥表皮細胞進行了微分成像實驗，如圖5所示。當光源直接照射洋蔥表皮細胞時，相鄰洋蔥表皮細胞的邊界無法區(qū)分，而當加入方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器后，可以清晰地看到洋蔥表皮細胞的完整邊緣和輪廓。這將使透明細胞易于識別，極大地促進了生物學研究中細胞形態(tài)和行為模式的觀察。

圖5 方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器的生物細胞實驗結(jié)果

總結(jié)與展望

研究團隊提出的硅方形孔超構(gòu)表面不僅能夠在透射模式下支持角度選擇的TD共振，而且可以在實空間中得到拉普拉斯微分算子。這種光學特性可以應用于數(shù)學計算和圖像處理領域，分別實現(xiàn)微分運算和二維二階圖像邊緣檢測。同時，由于環(huán)形偶極共振的低Q值特性，能夠有效拓寬實際工作波長。這種輕薄的方形孔超構(gòu)表面拉普拉斯微分器可以與現(xiàn)有的顯微成像系統(tǒng)很好地集成，以高速、并行、實時和低功耗的方式完成大量的數(shù)據(jù)處理，為未來的自動駕駛、機器視覺和生物醫(yī)學成像等提供堅實的基礎。

相關研究成果以“LaplaceDifferentiator Based on Metasurface with Toroidal Dipole Resonance”為題在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、基金委聯(lián)合基金重點項目等支持。