近日，中國科學技術大學物理學院光電子科學與技術安徽省重點實驗室張斗國教授提出并實現(xiàn)了一種基于介質多層薄膜的多階光學微分運算元器件，將該微分器件應用于常規(guī)透射式光學顯微系統(tǒng)中，可以對入射光場信息進行1階至4階的微分運算。研究成果以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission formultiple-order analog spatialdifferentiator”為題發(fā)表在綜合性學術期刊NatureCommunications。

在大數(shù)據(jù)信息時代，如何高速、精準、低成本的處理多樣化海量數(shù)據(jù)是需要解決的關鍵科學問題。雖然數(shù)字信號處理技術用途極為廣泛，但它在處理非重復性稀有事件(如非線性動力學過程)時，存在處理速度較慢、功耗大，需要復雜的模-數(shù)轉換器件等問題。近年來，光學模擬運算由于其天然的低能耗、可大規(guī)模并行、抗電磁干擾等特性，引起了廣泛的關注。特別是，隨著納米光子學的發(fā)展，科研工作者研制出各種基于微納結構的光學模擬運算器件，用于高通量的實時數(shù)據(jù)處理。光學微分運算器件是其中的一種，它通常被用來實現(xiàn)圖像邊緣增強，在數(shù)據(jù)壓縮、光學顯微成像、機器視覺、自動駕駛等領域具有重要的應用價值。

圖1.光學微分器件及成像系統(tǒng)示意圖

截至目前，文獻報道的光學微分器件都只能進行同一階次的低階微分運算，如1階或者2階微分。該研究工作表明，通過合理設計結構參數(shù)，可以在一塊介質多層薄膜器件上實現(xiàn)從1階到4階的所有階次光學微分運算;理論分析結果表明，此薄膜器件亦可以實現(xiàn)更高階次的微分運算。如圖1a示意圖所示，當帶有樣品信息(如數(shù)字6)的光束 (波函數(shù)為Ein)穿過介質多層薄膜，其透射光束的波函數(shù)Eout與入射光束波函數(shù)之間呈現(xiàn)出1階或2階微分運算關系，進而數(shù)字6的邊緣被清晰展現(xiàn)出來。

該介質多層薄膜由高、低折射率介質(氮化硅和二氧化硅)薄膜交替疊加組成，可通過常規(guī)鍍膜工藝(如等離子體增強化學氣相沉積法)在各種透明襯底上大面積、低成本制備，如圖1b所示為多層膜實物圖片和截面電鏡圖片。通過調節(jié)高、低折射率薄膜的厚度和折射率參數(shù)組合，可以在動量空間調節(jié)不同偏振光波的透射率分布，進而實現(xiàn)最終透射光波函數(shù)與入射光波函數(shù)之間的微分關系。

圖2.振幅型和相位型樣品信息的多階微分圖像

作為應用展示，該介質多層薄膜被用作光學顯微鏡的載玻片，放置在圖1b所示為常規(guī)透射光學顯微鏡上。當被成像的物體為振幅型樣品，如1951 USAF分辨率測試靶，其光學圖像(圖2a1-a4)呈現(xiàn)出極為清晰的邊緣結構，此即為光學微分運算的功能之一：圖像邊緣增強。通過調節(jié)入射光的照射方向和入射光波長，從圖2a1到a4，圖像的邊緣分別呈現(xiàn)出一條邊到四條邊，分別對應著1階到4階的光學微分運算。實驗結果表明，利用該介質多層薄膜微分器件可以在常規(guī)的光學顯微鏡上快速實現(xiàn)多階次圖像邊緣檢測，而高階次的邊緣圖片可以給出更精細的邊緣結構信息。邊緣檢測是圖像處理領域的一個常用技術，它從圖像中提取感興趣對象的邊緣信息，大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了可以認為不相關的信息，保留了圖像重要的結構屬性，因此被應用于圖像特征提取、目標識別、計算機視覺等領域。此外，得益于多階微分的特性，該微分運算器件在解常微分方程、光束整形等領域也具有潛在應用價值。

當被成像的物體為相位型樣品，如大多數(shù)液體環(huán)境中的生物細胞是透明的，可以看作是相位物體。由于透明特性，它們的散射光非常弱，因而其邊緣細節(jié)很難被常規(guī)無標記顯微鏡觀測到。但當該樣品放置在介質多層薄膜基片上，由于存在光學微分運算功能，其邊緣信息可以被清晰的展示出來，如圖2b1，b3為水中洋蔥皮細胞的常規(guī)顯微鏡圖像，b2, b4分別為進行了1階、2階微分運算得到的圖像。該實驗結果表明，只需在常規(guī)的透射顯微鏡上加載一塊平面型介質多層薄膜微分器件作為載玻片，就可以實現(xiàn)生物細胞的清晰邊緣結構成像。相對于生物細胞成像領域常用的暗場光學顯微鏡、相襯顯微鏡、微分干涉顯微鏡等所采用的復雜光學元件，該介質多層薄膜微分器件結構簡單、成本低，易于使用。

審核編輯：湯梓紅