一种基于超表面的阶数复用型全光微分器

近日，武汉大学郑国兴课题组和鹏城实验室余少华院士课题组利用超表面实现了一种阶数复用的全光微分器，其与传统光学显微镜相结合，可实现微小物体表面形貌的三模态观测。该微分器仅用单一尺寸的纳米结构组成的马吕斯超表面进行一阶和二阶微分运算，这大大提高了全光计算设备的集成度。研究成果以“All-Optical Multiplexed Meta-Differentiator for Tri-Mode Surface Morphology Observation”为题发表在《Advanced Materials》上。武汉大学电子信息学院博士生梁潇和硕士生周舟为论文的共同第一作者，武汉大学李子乐研究员和郑国兴教授，以及鹏城实验室余少华院士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

由单尺寸纳米结构组成的超表面，因其仅有纳米结构转角这一个设计自由度，所以通常只有一个固定的功能。受马吕斯超表面在不同极化通道下可以实现不同的复振幅调制这一启发，我们发现可以将偏振复用用于光计算器件的设计中，进而实现全光阶数复用微分器。具体说来，每一个纳米结构可以实现两种不同的微分功能：在输出光的两个正交分量中，分别得到两个不同阶数所对应的微分结果。阶数复用光学微分器的基本概念如图1所示，图中以高斯光束的微分为例进行说明，当沿着x轴偏振的入射光经过4f系统时，若输出光为y偏振光，则实现一阶微分；若输出光为x方向，则实现二阶微分。其中，超表面位于4f系统的频谱面上，不同位置的纳米结构可以调制不同空间频率分量的幅值。我们通过优化马吕斯超表面上每个单元纳米结构的转角，使得超表面的传递函数在两种正交偏振态下分别满足的规律，从而实现空间微分复用功能。

图1 马吕斯超表面实现一阶和二阶空间微分运算的原理图

我们的复用型全光微分器可以直接集成到传统光学显微镜中，并且适用实际生活中的多个场景。比如，分别以细胞样品、生物组织样品以及微结构样品作为目标进行实验测试，实验光路如图2a所示。当被测物体为细胞样品时，此处以未染色的洋葱表皮细胞为例（图b1-b6），可以看到，当三模态显微镜处于模式一时（图b1），它能很好的观察到物体的表面形貌；当其处于模式二时（图b2），它能进行粗糙的轮廓检测，实现细胞边界的自动识别；当它处于模式三时（图b3），它能进行细胞边界的精准定位。这说明我们的系统在实际生活中具有很大的应用潜力。

当被测物体为诸如涡虫（图c1-c6）此类的相位物体时，由于它的透明特性，在不添加造影剂的情况下，亮场图像（c1）会被隐藏在激光背景中，在亮场下很难区分出细胞的结构，难以用人眼直接观测出其轮廓，更无法获取其内部结构。当将其置于我们的系统中时，由于系统具有光学运算功能，我们可以用一阶运算快速定位出涡虫的轮廓（图c2）；同时，利用二阶微分对其边界进行精准定位（图c3）。这说明了我们所提出的全光微分器在检测透明生物标本上具有非常高的灵敏度和精度。

当被测物体为蜻蜓翅膀这类复杂微结构时，图d1-d3分别为捕获的原始图像、一阶和二阶微分图像。我们看到，一阶微分运算可以实现粗略的轮廓检测，计算出翼脉直径约为26.57 μm；在二阶微分运算下，单个边缘可以观察到双尖峰（图d3中标记为#1和#2），这表明我们的方法也可以突出边缘信息，实现高精度边缘定位。另一方面，我们可以用二阶微分计算静脉壁的厚度。在本文中，每组#1和#2的两个峰之间的距离分别测得为7.59 μm和6.96 μm，这与前人报道的数据吻合。这也说明，将我们的微分技术与显微技术结合，不仅可以识别生物组织的边界，而且还能定量观察组织形态。

值得注意的是，用于三模表面形貌观测的阶数复用微分器的两个微分模式具有易于切换的优点：仅需通过旋转放置在CCD前的光学检偏器（0°到90°）即可实现观测模式的自由切换。所有的微分运算都是并行的（传播即计算），没有额外的功率消耗，也无需计算机图像处理算法的协助。因此，我们的研究可为微小物体表面形貌的观察提供一种全新的工作模式，不仅可以在先进生物成像中找到其应用场景，而且还可用于大规模缺陷检测，高速模式识别等其他领域。

图2 细胞样品、生物组织和空心微结构的三模形貌观测