来源:范德比尔特大学
这种厚度比人的头发还细的超材料可以识别物体的边缘(图中为范德比尔特大学的标志)
论文概述
光学模拟计算相比电子计算而言，拥有超高速和低能耗的优点，但传统的光学模拟计算系统通常由透镜和光栅组成，系统体积庞大，不利于小型化集成。超材料的出现为解决这一矛盾提供了有效的方法。而二维超材料，即超表面，由于其加工难度低且具有超薄的尺寸，在光学方面有着巨大的应用前景。
来自美国范德比尔特大学和美国橡树岭国家实验室的You Zhou 等研究人员提出利用超表面实现二维拉普拉斯算符，可直接实现图像微分，即可以实现图像的边缘检测。相关成果以“Flat optics for image differentiation” 于2020年2月24日发表在光学顶级杂志 Nature Photonics 上。
研究背景
随着人工智能、机器识别的快速发展，图像识别已经成为了各种科学和工程中关键的技术，不管是企业公司还是科研机构都投入了大量的财力、人力来研发高效、快速的图像识别技术，这相当于智能机器人的“眼睛”。利用微分实现边缘增强的图像检测是这些技术中比较有用且重要的一项，而微分既可以利用电子实现也可以利用光学结构实现。数字电路虽然能够执行比较复杂的数据处理，但由于电子的本质，其受到计算速度和功耗的限制。而光学模拟计算能够直接对光信号进行计算，这提供了一种低功耗处理大数据的方法。
一般来说，目前比较常用的光学模拟计算是利用透镜和滤波器等器件组成光学系统，导致了一个庞大的体积，不利于紧凑的集成系统。一个非常有效减小系统体积的方法就是引入超材料和纳米光子材料来构建一个亚波长的光学系统，这可以实现波长量级相当的一个薄层，对于可见光来说，也就是nm级别的一个系统尺寸。这一方法既保证了低功耗处理数据，又保证了小体积易集成。
在过去几年，关于超表面实现光学运算已经有了不少研究，但大部分研究都是基于一维情况，同时还需要光栅或者透镜将光耦合到超表面上，这一做法有悖于超表面实现超薄光学器件的初衷，因此本文提出了一种基于光子晶体平板的方法，可以不需要外部耦合，直接对光学进行微分运算，同时该微分器可以直接与传统的光学系统集成，比如与显微镜、红外照相机等结合，直接对图像进行二阶微分，实现对图像的边缘检测。同时，研究人员还提出可以将这一微分器与超透镜结合，这进一步缩小了系统的尺寸。
技术突破
图1a就是该论文提出的概念图，利用硅纳米棒(蓝色部分)放置在玻璃基底上，同时硅纳米棒被一层PMMA包裹，形成一个光子晶体平板。利用这种结构中准导模能够与外部场耦合且对入射角度敏感的特点，可以实现一个二阶空间微分算符(形成如图1d那样的抛物线响应曲线)，由于这种结构在水平面是一个二维拓展的周期，因此可以实现二维平面光学的二阶空间微分。利用s偏振和p偏振光对角度的依赖特性，研究团队得到了所需的工作波长为1120nm，属于红外波段。在这样的波长激励下，提出的这种结构便会产生一个对图像进行空间微分的响应。
该研究团队首次提出利用平面光子晶体板的模式耦合特性来进行平面光学的微分运算，这可以提供一个超薄的微分器件。
图1 平面光学微分器的概念图以及谐振特性
研究团队提出的这种结构，拥有0.32的数值孔径，因此在1120nm波长的照射下，可以得到2.17mm的边缘分辨率。图2是该研究团队对提出的微分器件进行了分辨率测试，结果显示对于从30mm到4mm的结构，该微分器都可以清晰的检测出图像的边缘。
图2 微分器分辨率的测试
为了验证微分器的作用，他们直接将微分器放置在了显微镜前面(图3左图)，以及放置在红外照相机前面(图3右图)，结果显示可以清晰的检测出样品的边缘特征，这一结果显示了这种超薄微分器的易集成的特点。
图3 微分器结合传统光学系统
为了进一步缩小光学系统的尺寸，该研究团队利用超透镜(一种基于超材料的亚波长结构光学透镜)与该微分器的组合，使得我们可以去掉光学系统中的透镜元件，这一组合的示意图见图4a,b。结果显示，这一组合可以实现无透镜的显微镜成像，同时还能够直接显示出所测样品的边缘特征。
图4 微分器与超透镜结合
观点评述
超材料与光学的结合给我们带来了各种各样的惊喜，比如超透镜的提出使得我们得以实现亚波长结构的光学透镜，计算超表面的提出使得我们得以实现在亚波长尺度上进光学运算。由于在当前技术发展下，电子芯片的尺度几乎毕竟摩尔极限，光学模拟计算给我们带来了新的手段，而超材料与平面光学的结合将使得我们能够加快光子芯片走向应用的速度。比如图中提出的这一平面光学器件，厚度在500nm的量级，比我们的头发丝还细的一种结构，却能实现高效、快速的运算功能，这为我们后续设计光学模拟计算和计算机视觉提供了新的硬件支持。