一种基于介质多层薄膜的多阶光学微分运算元器件

近日，中国科学技术大学物理学院光电子科学与技术安徽省重点实验室张斗国教授提出并实现了一种基于介质多层薄膜的多阶光学微分运算元器件，将该微分器件应用于常规透射式光学显微系统中，可以对入射光场信息进行1阶至4阶的微分运算。研究成果以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission formultiple-order analog spatialdifferentiator”为题发表在综合性学术期刊NatureCommunications。

在大数据信息时代，如何高速、精准、低成本的处理多样化海量数据是需要解决的关键科学问题。虽然数字信号处理技术用途极为广泛，但它在处理非重复性稀有事件（如非线性动力学过程）时，存在处理速度较慢、功耗大，需要复杂的模-数转换器件等问题。近年来，光学模拟运算由于其天然的低能耗、可大规模并行、抗电磁干扰等特性，引起了广泛的关注。特别是，随着纳米光子学的发展，科研工作者研制出各种基于微纳结构的光学模拟运算器件，用于高通量的实时数据处理。光学微分运算器件是其中的一种，它通常被用来实现图像边缘增强，在数据压缩、光学显微成像、机器视觉、自动驾驶等领域具有重要的应用价值。

图1.光学微分器件及成像系统示意图

截至目前，文献报道的光学微分器件都只能进行同一阶次的低阶微分运算，如1阶或者2阶微分。该研究工作表明，通过合理设计结构参数，可以在一块介质多层薄膜器件上实现从1阶到4阶的所有阶次光学微分运算；理论分析结果表明，此薄膜器件亦可以实现更高阶次的微分运算。如图1a示意图所示，当带有样品信息（如数字6）的光束 （波函数为Ein）穿过介质多层薄膜，其透射光束的波函数Eout与入射光束波函数之间呈现出1阶或2阶微分运算关系，进而数字6的边缘被清晰展现出来。该介质多层薄膜由高、低折射率介质（氮化硅和二氧化硅）薄膜交替叠加组成，可通过常规镀膜工艺（如等离子体增强化学气相沉积法）在各种透明衬底上大面积、低成本制备，如图1b所示为多层膜实物图片和截面电镜图片。通过调节高、低折射率薄膜的厚度和折射率参数组合，可以在动量空间调节不同偏振光波的透射率分布，进而实现最终透射光波函数与入射光波函数之间的微分关系。

图2.振幅型和相位型样品信息的多阶微分图像

作为应用展示，该介质多层薄膜被用作光学显微镜的载玻片，放置在图1b所示为常规透射光学显微镜上。当被成像的物体为振幅型样品，如1951 USAF分辨率测试靶，其光学图像（图2a1-a4）呈现出极为清晰的边缘结构，此即为光学微分运算的功能之一：图像边缘增强。通过调节入射光的照射方向和入射光波长，从图2a1到a4，图像的边缘分别呈现出一条边到四条边，分别对应着1阶到4阶的光学微分运算。实验结果表明，利用该介质多层薄膜微分器件可以在常规的光学显微镜上快速实现多阶次图像边缘检测，而高阶次的边缘图片可以给出更精细的边缘结构信息。边缘检测是图像处理领域的一个常用技术，它从图像中提取感兴趣对象的边缘信息，大幅度地减少了数据量，并且剔除了可以认为不相关的信息，保留了图像重要的结构属性，因此被应用于图像特征提取、目标识别、计算机视觉等领域。此外，得益于多阶微分的特性，该微分运算器件在解常微分方程、光束整形等领域也具有潜在应用价值。

当被成像的物体为相位型样品，如大多数液体环境中的生物细胞是透明的，可以看作是相位物体。由于透明特性，它们的散射光非常弱，因而其边缘细节很难被常规无标记显微镜观测到。但当该样品放置在介质多层薄膜基片上，由于存在光学微分运算功能，其边缘信息可以被清晰的展示出来，如图2b1，b3为水中洋葱皮细胞的常规显微镜图像，b2, b4分别为进行了1阶、2阶微分运算得到的图像。该实验结果表明，只需在常规的透射显微镜上加载一块平面型介质多层薄膜微分器件作为载玻片，就可以实现生物细胞的清晰边缘结构成像。相对于生物细胞成像领域常用的暗场光学显微镜、相衬显微镜、微分干涉显微镜等所采用的复杂光学元件，该介质多层薄膜微分器件结构简单、成本低，易于使用。

本校博士生刘洋同学为该论文第一作者，张斗国教授为通讯作者。上述研究工作得到了科技部，国家自然科学基金委、安徽省科技厅、合肥市科技局、唐仲英基金会等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35588-5