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浙江大学阮智超课题组:空间微分器——亚波长厚度全光模拟运算

2017-12-19

浙江大学阮智超教授课题组与合作者在亚波长全光模拟运算的研究中取得了新进展。研究团队通过构建空间耦合模理论,设计并在实验上实现了一种基于金属表面等离激元的空间光场微分器,能够在光的反射过程中,实时地对光场的空间分布进行微分模拟运算。

随着信息技术的迅猛发展,对信息处理性能的需求不断提高。与传统电子器件的信息处理方式相比,光学信息处理技术凭借其超快速、大带宽、大通量和低损耗等优势,已经逐渐发展成为一种重要的信息处理手段。而作为一种重要的运算方式,传统的光学模拟运算需要利用大量宏观尺寸的光学器件,所占用的空间过大,不利于运算系统的微型化和集成化。

近年来,利用微纳结构实现光学模拟运算吸引了大批学者的兴趣和关注。多项理论研究结果表明,通过特殊设计的超表面或多层平板等微纳结构能够将空间微分器等光学模拟运算器件的尺寸缩小到波长量级。然而,由于这些微纳结构的设计极其复杂,在实验上精确地制备这些器件并以之实现光学模拟运算存在非常大的难度,因此至今仍未有相应的实验成果报道。

近日,阮智超教授研究团队通过构建空间耦合模理论,设计并在实验上实现了一种基于金属表面等离激元的空间光场微分器,能够在光的反射过程中,实时地对光场的空间分布进行微分模拟运算。

图1 (左)基于表面等离激元的空间光场微分器的结构示意图; (右)基于表面等离激元的空间光场微分器的传递函数

该微分器采用最简单的表面等离激元结构,易于制备及大规模生产,器件厚度仅50nm,达到亚波长级别。该器件能够分别实现对光场振幅和相位的空间分布的微分运算,模拟运算精度达到94%以上。相关研究成果发表在Nature Communications [8, 15391 (2017)]上。

基于器件的空间微分本领,该课题组提出了其在实时图像处理方面的重要应用。课题组利用该微分器对图像实现了超快速的实时边界检测、边缘提取,最小空间分辨率达到7μm,在医学和卫星图像处理等领域中有重要的技术应用前景。

图2 基于空间光场微分器的实时边界检测: (a) 振幅型入射图像;(b) 对振幅型光场分布(a)的边界检测;(c) 相位型入射图像;(d) 对相位型光场分布(c)的边界检测

论文链接:https://www.nature.com/articles/ncomms15391