【產(chǎn)通社，1月29日訊】中國科學技術(shù)大學（University of Science and Technology of China, USTC）官網(wǎng)消息，物理學院光電子科學與技術(shù)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(zhì)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。研究成果近日以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission formultiple-order analog spatialdifferentiator”為題發(fā)表在綜合性學術(shù)期刊Nature Communications。

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(shù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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。

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(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在一塊介質(zhì)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(jié)果表明，此薄膜器件亦可以實現(xiàn)更高階次的微分運算。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(zhì)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(zhì)多層薄膜由高、低折射率介質(zhì)（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。通過調(diào)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(diào)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。作為應用展示，該介質(zhì)多層薄膜被用作光學顯微鏡的載玻片。

本校博士生劉洋同學為該論文第一作者，張斗國教授為通訊作者。上述研究工作得到了科技部，國家自然科學基金委、安徽省科技廳、合肥市科技局、唐仲英基金會等項目經(jīng)費的支持。相關樣品制作工藝得到了中國科學技術(shù)大學微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://news.ustc.edu.cn/kyjz.htm，以及http://www.nature.com/articles/s41467-022-35588-5。（張怡，產(chǎn)通發(fā)布）    （完）