光學(xué)超構(gòu)表面（metasurface）實(shí)現(xiàn)了在亞波長尺度內(nèi)的模擬計算和圖像處理，并具備更低的功耗、更快的速度。雖然人們已經(jīng)展示了各種圖像處理超構(gòu)表面，但大多數(shù)考慮的器件都是靜態(tài)的，缺乏可重構(gòu)性。然而，動態(tài)可重構(gòu)處理的能力是超構(gòu)表面用于實(shí)際計算系統(tǒng)的關(guān)鍵。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國紐約市立大學(xué)（City University of New York）、羅切斯特大學(xué)（University of Rochester）、澳大利亞墨爾本大學(xué)（The University of Melbourne）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)提出了一種在近紅外（NIR）區(qū)域工作的無源邊緣檢測超構(gòu)表面，其響應(yīng)可通過小于10℃的溫度變化（圍繞CMOS兼容溫度65℃）來大幅改變。這種可重構(gòu)性是通過利用薄層二氧化釩（VO?）的絕緣體-金屬相變來實(shí)現(xiàn)的，這顯著改變了超構(gòu)表面的非局部響應(yīng)。重要的是，這種可重構(gòu)性伴隨著接近最佳的性能指標(biāo)（如數(shù)值孔徑、效率、各向同性和偏振無關(guān)性），并且它可與簡單的幾何形狀相結(jié)合，適合大規(guī)模制造。這項(xiàng)研究工作為新一代超緊湊、可調(diào)諧、無源器件的全光學(xué)計算奠定了基礎(chǔ)，有望應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、遙感和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。上述研究成果以“Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials”為題發(fā)表于Nature Communications期刊上。

超構(gòu)表面設(shè)計如圖1a和1b所示。它由一塊高度為H的硅板組成，硅板上有半徑為R的圓柱形孔，這些孔以間距為a的三角晶格排列。硅板位于厚度為h的均勻二氧化釩薄膜上，整個器件由石英襯底支撐。該設(shè)計利用COMSOL Multiphysics進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化，以獲得近紅外（1500 nm-1700 nm）波長范圍內(nèi)所需的可重構(gòu)響應(yīng)。

圖1 本文所提出的超構(gòu)表面的工作原理和模擬光學(xué)響應(yīng)

圖1c顯示了優(yōu)化的器件（H = 320 nm、R = 310 nm、a = 960 nm、h = 35 nm）對于VO?在絕緣相和金屬相時的垂直入射透射光譜。為了驗(yàn)證該設(shè)計是否可以執(zhí)行可重構(gòu)邊緣檢測，研究人員利用數(shù)值方法計算了VO?兩相超構(gòu)表面的角度相關(guān)透射（圖1d和1e）。

研究人員制造了一個參數(shù)接近數(shù)值優(yōu)化設(shè)計的超構(gòu)表面。制造工藝采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和蝕刻技術(shù)。圖2a和2b顯示了制造的樣品的SEM圖像，其中孔半徑R ≈ 350 nm、VO?厚度h ≈ 35 nm、硅厚度H ≈ 360 nm、晶格常數(shù)a = 960 nm，研究人員選擇該樣品進(jìn)行光學(xué)表征和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2c-2e所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測得的超構(gòu)表面的光學(xué)響應(yīng)

接下來，研究人員驗(yàn)證了除了垂直入射響應(yīng)之外，VO?的相變還能大幅重構(gòu)超構(gòu)表面的非局部響應(yīng)——表現(xiàn)為隨角度變化的透射振幅——這對于改進(jìn)超構(gòu)表面的圖像處理功能至關(guān)重要。為此，研究人員進(jìn)行了與溫度和角度相關(guān)的s偏振透射測量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 超構(gòu)表面濾波響應(yīng)的熱控制

在驗(yàn)證了溫度引起的超構(gòu)表面非局部性的可重構(gòu)之后，研究人員繼續(xù)演示該平臺可用于實(shí)現(xiàn)具有邊緣檢測功能的圖像處理器件，該器件可通過溫度變化（小于10℃）快速打開和關(guān)閉。成像實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果如圖4所示，其中輸入圖像為紐約市立大學(xué)（CUNY）的logo（橫向尺寸約為150 μm）。

圖4 可重構(gòu)邊緣檢測實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證器件的可重構(gòu)圖像處理能力，研究人員使用不同的輸入圖像重復(fù)了成像實(shí)驗(yàn)，輸入圖像（20?μm?×?100?μm的矩形）及成像結(jié)果如圖5所示。

與圖4中觀察到的結(jié)果類似，當(dāng)溫度升高到T = 60℃以上時，輸出圖像會發(fā)生突然變化，當(dāng)溫度高于66℃時，輸出圖像會變形為未濾波的衰減圖像。

圖5 使用矩形輸入圖像的可重構(gòu)邊緣檢測實(shí)驗(yàn)

綜上所述，這項(xiàng)研究展示了相變材料可用于顯著控制超構(gòu)表面的非局部性和角度相關(guān)的透射分布，從而實(shí)現(xiàn)亞波長無源邊緣檢測器件，其圖像處理可通過溫度變化在CMOS兼容溫度T? = 65℃附近小于10℃的范圍內(nèi)進(jìn)行有效控制。這種可重構(gòu)性是通過利用二氧化釩層在接近T?溫度時產(chǎn)生的絕緣體-金屬相變來實(shí)現(xiàn)的。所提出的設(shè)計原理基于在較厚的超構(gòu)表面中添加一層薄的VO?，從而使超構(gòu)表面的光學(xué)特性發(fā)生顯著變化，并且當(dāng)VO?處于絕緣相時，可將吸收損耗降至最低。

本文所提出的方案和設(shè)計使這種可重構(gòu)圖像處理超構(gòu)表面適合大規(guī)模生產(chǎn)。特別是，與以前報道的方案不同，該方案不需要任何機(jī)械和/或移動部件、電偏置或高功率光學(xué)激發(fā)。

重要的是，本研究展示的計算超構(gòu)表面不需要使用4f透鏡系統(tǒng)，因?yàn)樗璧臄?shù)學(xué)運(yùn)算是直接在現(xiàn)實(shí)空間中通過根據(jù)傳播角度過濾不同的平面波來實(shí)現(xiàn)的。

進(jìn)一步改進(jìn)本文所提出的設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的響應(yīng)?？傊@些成果有望為可重構(gòu)的無4f圖像處理超構(gòu)表面在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、衛(wèi)星系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測以及材料研究等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。