撰稿|由课题组供稿
近日，来自华中科技大学的王健、陈林课题组联合纽约城市大学的Andrea Alù教授团队，提出了一种基于介质超构表面的宽带角谱微分器，在《自然—通讯》（Nature Communications）发表最新研究进展“Broadband angular spectrum differentiation using dielectric metasurfaces”。华中科技大学董建绩教授，浙江大学阮智超教授参与了该项工作。
在众多科学与工程领域中，信号处理都有着举足轻重的地位，与基于集成电路数字信号处理方式相比，光学模拟信号处理有着高速、能耗低、可平行处理大量信号的优点。空间微分可以用于光学图像的边缘探测或提取，是物体识别、特征区分的第一步。空间图像处理可以用4F系统完成，通过在4F共焦面上设置不同的处理器可以实现各种不同的功能，但是该方法体积较大，不适用于集成器件。超构表面作为人工平面器件，可以在亚波长尺度上灵活调节光的偏振、振幅、相位，可以实现紧凑的模拟图像处理器，目前已有大量工作基于超构表面实现了空间微分。
区别于空间微分，在此研究中，研究人员针对光学图像角谱的数学处理，提出了“角谱模拟超处理器”。当光穿过这些器件，它们可以完成对光角谱的模拟处理，例如微分、积分、卷积等线性操作。研究人员以截面相同的硅纳米柱阵列组成超构表面，仅仅通过调控这些硅纳米柱旋转角度θ的分布实现了三种角谱微分(图1a-c)。在x或y偏振入射下，这些硅纳米柱的局域正交偏振复透射系数σ正比于sin(2θ)(图1d-f)，满足本文所研究的三种角谱微分的需求。根据这三种角谱微分器所需实现的复透射振幅函数，组成它们的硅纳米柱阵列旋转角度分布示意图如图1g-i所示。
实验上，为在可见光波段展示这些角谱微分器的功能（图2a），研究人员在不锈钢板上加工三平行矩形孔（图2b），分别记录了光路中不含角谱微分器与含角谱微分器情况下，该三平行矩形孔的角谱强度分布。可以看到，原本主要由一行三个亮点构成的三平行矩形孔角谱分布（图2 c, d），分别经
角谱微分器处理后，分别形成了两行各六个亮点（图2 e, f）、一行六个亮点（图2 g, h）以及斜向分布的六个亮点（图2 i, j）。
进一步的，研究人员基于所设计的
角谱微分器，设计了在角谱域中分离出目标特征角谱的实验（图3a）。当物体角谱At(kx, ky)强度远弱于背景角谱Ab(kx, ky)时，我们无法直接从它们的混合角谱中提取出物体角谱（图3b,d），但当它们在kx = 0附近满足
时，可以对它们的混合角谱进行
的微分操作并分离出kx = 0附近的
（图3c,e）。这项研究可以推动更多角谱模拟超处理器的发展，并对光学模拟信号处理及生物成像等方面的发展做出贡献。
图1 角谱微分器。(a-c) 角谱操作Ĥ分别为
的角谱微分器。 (d) 石英衬底上旋转硅纳米柱示意图。(e, f)σ的振幅(e)和相位(f)随旋转角θ的变化曲线。(g-l) 分别实现
的角谱微分器俯视图示意图，它们展示了每个角谱微分器的旋转角分布。
图2 三个平行矩形孔的角谱微分测试结果。(a) 角谱微分实验装置。(b) 三平行矩形孔的理论(第一列)及实验测试(第二到四列)强度分布。(c, d) 三平行矩形孔的角谱强度分布(c)及(c)中线A-B上归一化角谱强度分布(d)。(e-j) 分别经角谱微分器
后的角谱强度分布以及对应图中线A-B上归一化角谱强度分布(f, h, j)。
图3 角谱隔离实验。(a) 角谱隔离实验装置图。(b-e) 混合光未经角谱微分器(b)与经角谱微分器
后(c)的角谱强度分布。(d)和(e)分别为它们沿线A-B的归一化角谱强度分布。
本工作展示了可对物体角谱进行微分处理的“角谱模拟超处理器”，通过调控硅纳米柱阵列旋转角谱分布分别设计了三种宽带角谱微分器，并基于该角谱微分功能提出了在角谱域中分离出目标特征角谱的应用。这项研究可以推动更多角谱模拟超处理器的发展，有望对光学模拟信号处理及生物成像等方面的发展做出贡献。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46537-9
