Nano Letters: 清华大学白本锋副教授团队在可拉伸超构表面动态成像研究方面取得重要进展

撰稿|由课题组供稿

近日，清华大学白本锋副教授团队与范德堡大学Jason Valentine教授团队合作，通过巧妙设计的可拉伸超构表面（metasurface），利用微纳结构阵列的晶格共振与连续体中的束缚态（Bound states in the continuum），首次实现了超构表面在空间频率域的动态光场调控，展示了无需4f系统辅助即可实现的亮场成像、空间低通滤波成像、空间高通滤波成像和标准二阶空间微分边缘提取成像之间的切换。相关成果以“Reconfigurable Metasurface for Image Processing”为题发表在 《Nano Letters》上。

光学空间滤波成像相较电子计算中的图像滤波操作算而言，具有高速、平行、低损的运算特性，适用于需要实时、高图像数据速率的成像场景中。传统的光学空间滤波成像需要借助4f光学系统的平行性和透镜的傅里叶变化特性，但4f光学系统空间体积较大且对光学元件在光轴处的位置精度要求过高，使得整个运算系统难以集成，限制了其使用场景。

近来有研究者利用超构材料（metamaterial）的空间频率域光场调控特性，实现了无需4f光学系统的光学空间滤波成像。但迄今为止，具有空间频率域光场调控功能的超构材料均为静态元件，仅能实现相干光边缘提取成像，因而使用场景较为受限。若能实现原位、快速的动态空间滤波成像，则更有利于区分不同物体、观测全面的图像信息。

课题组通过将超构表面埋藏于弹性基底中，利用超构表面的晶格共振与连续体中的束缚态，借助机械拉伸改变超构表面的周期，从而在36%的应变区间内实现了一系列有实际成像意义的空间频率域光场调控，集成、原位、动态地实现了亮场成像、空间低通滤波成像、空间高通滤波成像、以及标准二阶空间微分边缘提取成像（图1）。

图1 可拉伸超构表面的动态成像性质

借助电磁场的多极子分解，研究人员对不同应变、不同入射波矢下超构表面的共振响应进行了具体分析，证明了满足Kerker条件的电、磁偶极子晶格共振、以纵向电偶极子共振形式出现的连续体中的束缚态对于超构表面在局域与非局域性质间的动态变换起着主要作用。最终，通过将可拉伸超构表面直接插入相干光成像光路中，研究者分别对二元图像及生物细胞样品进行了动态光学空间滤波成像（图2），验证了可拉伸超构表面可在0.25的数值孔径下、60 nm的波长带宽内，高度集成、原位地实现亮场成像、空间低通滤波成像、空间高通滤波成像、以及二阶空间微分边缘提取成像。

图2 可拉伸超构表面的动态光学空间滤波成像

该研究工作通过对可拉伸超构表面的共振分析及实验表征证明了超构表面在空间频率域强大的调制能力，不需要4f光学系统即可直接实现空间滤波功能所需的空间色散，并表现出由局域响应向非局域响应的动态光场调控功能，有望在生物成像、机器视觉以及光学模拟计算等领域有广泛的应用潜力。

清华大学白本锋副教授和范德堡大学Jason Valentine教授为论文的共同通讯作者，清华大学张小萌博士生为第一作者。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家留学基金委等的支持。

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02838