文章来源： 低维材料前沿
研究背景
光学模拟图像处理技术是一种通过光学手段进行数据处理的先进方法，因其在人工智能、机器视觉、自动驾驶和生物医学成像等领域的应用潜力而受到广泛关注。与传统的电信号处理系统相比，光学处理技术具备高通量、低功耗和实时处理能力等优点，能够有效应对大规模数据处理的需求。然而，现有光学微分系统通常由笨重的光学元件构成，导致了设备体积大、对准精度要求高等问题，这限制了其在实际应用中的推广和使用。因此，如何在保持高性能的同时实现光学处理系统的小型化与集成化，成为当前研究的一个重要挑战。
研究内容
为了解决这些问题，南京大学徐挺教授团队、Yanqing Lu等在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Broadband and parallel multiple-order optical spatial differentiation enabled by Bessel vortex modulated metalens”的最新论文。他们设计并制备了一种贝塞尔涡旋调制金属透镜（BVML），该设备能够在宽波段范围内执行多阶径向微分操作。通过引入单层复振幅超表面，该团队成功实现了与贝塞尔涡旋阶数相关的不同阶数微分操作，展示了该设备在并行处理能力方面的优势。利用这种新型金属透镜，研究团队显著提高了微分操作的性能，并成功获取了第一至第四阶的各向同性微分处理结果。
图文导读
本文通过电子束光刻（EBL）技术和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，对贝塞尔涡旋调制金属透镜（BVML）进行了系统的制备和表征。通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构，作者揭示了超表面中各个单元的精确排列与功能特性之间的关系。具体而言，SEM图像显示了超表面纳米结构的均匀性和周期性，这为后续的光学性能分析奠定了基础。
针对BVML在多阶径向微分处理中的优异性能，作者采用了傅里叶变换光学实验，测量了该设备在不同角度和波长下的输出光场。通过对比分析不同阶数的贝塞尔涡旋的衍射图样，发现其衍射特征与预设的拓扑电荷存在直接关联。这一发现不仅证实了理论模型的准确性，也为理解其工作原理提供了微观机理的支持。
进一步地，作者通过光谱测量手段对BVML的光学响应进行了详细表征。利用分光光度计，研究团队发现该设备在宽波段内表现出优异的透过率，且随着输入光波长的变化，输出信号的相位和幅度也表现出良好的稳定性。这表明，该超表面不仅能有效执行多阶微分操作，还具备优越的波长不敏感性，这使其在实际应用中具有更高的灵活性。
在此基础上，结合激光干涉仪进行干涉测量，进一步验证了BVML在多阶微分操作中的有效性。实验结果显示，设备能够同时实现零阶至四阶的径向微分处理，并通过角度复用技术实现了多通道信息的并行处理。这一成果揭示了BVML在光学数据处理中的巨大潜力，特别是在人工智能和生物医学成像等领域的应用前景。
图 1 | BVML用于多阶径向微分操作的工作原理。
图 2 | BVML 设计和特性。
图 3 | BVML 的分辨率测试。
图 4 | 振幅物体宽带差分成像实验结果。
图 5 | 用于并行处理的集成多通道 BVML。
科学启迪
本文提出并展示了一种基于单层复振幅超表面的贝塞尔涡旋调制金属透镜（BVML）。通过预设贝塞尔涡旋的拓扑电荷，设计的BVML可以在极坐标系中执行多阶径向微分操作，从而实现二维光学模拟信号处理。利用超表面的超薄和柔性设计，作者通过角度复用不同的信息通道，在单一设备上同步实现输入物体的零阶至四阶径向微分处理，展示了所提BVML在并行处理中的优势。因此，作者预见，所提出的紧凑型和多功能BVML在大规模光学数据处理和生物医学成像领域可能具有重要应用潜力。
该工作发表在Nature Communications上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53463-3
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