導(dǎo)讀

近日，北京理工大學(xué)黃玲玲教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)基于超構(gòu)表面的拉普拉斯光學(xué)微分處理器，可以激發(fā)對(duì)入射角度具有選擇性的環(huán)形偶極共振，能夠在實(shí)空間直接對(duì)目標(biāo)圖案完成二階二維的邊緣檢測(cè)，數(shù)值孔徑接近0.4，工作波長(zhǎng)范圍大于100 nm。該器件在光學(xué)成像、機(jī)器視覺(jué)和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。相關(guān)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(jì)算相比，光學(xué)計(jì)算以其固有的并行處理能力、高計(jì)算速度和低損耗在實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和圖像處理方面越來(lái)越受到重視。特別是，光學(xué)微分操作允許對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行邊緣檢測(cè)，使物體特征信息可以被快速識(shí)別，這對(duì)于自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)成像、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)空間模擬微分有兩種方法。根據(jù)傅里葉光學(xué)知識(shí)，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(shí)現(xiàn)緊湊的集成和小型化。近年來(lái)，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(chǎng)，不僅可以應(yīng)用于多功能全息、光譜成像、光傳感、量子糾纏等領(lǐng)域，而且為實(shí)現(xiàn)圖像的光學(xué)微分操作和邊緣檢測(cè)提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。利用表面等離激元共振、光子自旋霍爾效應(yīng)和Pancharatnam-Berry相位可以實(shí)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(lái)完成，或者由于相關(guān)結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)有限而導(dǎo)致低NA，或只能在窄帶情況下工作，這些問(wèn)題都極大地限制了微分器的實(shí)際應(yīng)用。

研究亮點(diǎn)

針對(duì)上述實(shí)際挑戰(zhàn)，研究人員利用超構(gòu)表面在空域直接實(shí)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(gè)方向的邊緣信息。這種光學(xué)特性可以通過(guò)具有環(huán)形偶極共振的超構(gòu)表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，原因是在正入射對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中，環(huán)形偶極共振通常被認(rèn)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(guò)率。當(dāng)引入斜入射時(shí)，系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性被打破，環(huán)形偶極共振會(huì)耦合出去，從而影響光譜傳輸特性。基于此原理，研究人員設(shè)計(jì)了單層硅方形孔超構(gòu)表面，通過(guò)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(qiáng)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(jìn)一步驗(yàn)證方形孔超構(gòu)表面透射光譜和入射角度的具體關(guān)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(shè)計(jì)的方形孔超構(gòu)表面可以在P偏振光下得到光學(xué)拉普拉斯運(yùn)算所需的光學(xué)傳遞函數(shù)，并使得該函數(shù)在各個(gè)方位角關(guān)于入射角滿(mǎn)足二次關(guān)系，從而在空間域中可以直接實(shí)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(guān)系

實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，所設(shè)計(jì)的拉普拉斯微分器可以在空域直接對(duì)“北理工”三個(gè)漢字圖像完成二階二維邊緣檢測(cè)，使得漢字的每個(gè)邊緣周?chē)纬蓛蓷l緊密間隔的線(xiàn)條。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試這種拉普拉斯微分器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分辨率板的成像效果，表明其能分辨出第7組第6個(gè)元素的線(xiàn)寬，相當(dāng)于其至少可以對(duì)線(xiàn)寬為2.19μm的目標(biāo)物體完成二階二維邊緣檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)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(cè)及分辨率驗(yàn)證

隨后，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)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(duì)未染色的洋蔥表皮細(xì)胞進(jìn)行了微分成像實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。當(dāng)光源直接照射洋蔥表皮細(xì)胞時(shí)，相鄰洋蔥表皮細(xì)胞的邊界無(wú)法區(qū)分，而當(dāng)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(xì)胞的完整邊緣和輪廓。這將使透明細(xì)胞易于識(shí)別，極大地促進(jìn)了生物學(xué)研究中細(xì)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(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)空間中得到拉普拉斯微分算子。這種光學(xué)特性可以應(yīng)用于數(shù)學(xué)計(jì)算和圖像處理領(lǐng)域，分別實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算和二維二階圖像邊緣檢測(cè)。同時(shí)，由于環(huán)形偶極共振的低Q值特性，能夠有效拓寬實(shí)際工作波長(zhǎng)。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(shí)時(shí)和低功耗的方式完成大量的數(shù)據(jù)處理，為未來(lái)的自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺(jué)和生物醫(yī)學(xué)成像等提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“LaplaceDifferentiator Based on Metasurface with Toroidal Dipole Resonance”為題在線(xiàn)發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目等支持。