撰稿|由课题组供稿
近日，武汉大学电子信息学院郑国兴、李子乐团队联合南京大学现代工程与应用科学学院陆延青、陈鹏团队提出了一种基于液晶材料的动态可调的阶数复用全光微分器。通过调节施加在液晶元件上的外加电压，并利用光学系统中的三种不同偏振态组合，实现了三种不同工作模式的快速切换，包括明场成像（零阶微分）、一阶微分和二阶微分。液晶的电控特性使该微分器的工作范围几乎覆盖整个可见光波段，这种器件在实时图像处理、先进医学成像和光计算等领域具有广阔的应用前景。相关成果以“All-Optical Multi-Order Multiplexing Differentiation Based on Dynamic Liquid Crystals”为题，在线发表于Laser & Photonics Reviews上（DOI: 10.1002/lpor.202400032）。武汉大学电子信息学院博士生梁潇、南京大学现代工程与应用科学学院博士生朱栋、武汉大学博士后戴琦为论文的共同第一作者，武汉大学电子信息学院郑国兴教授、李子乐研究员与南京大学陈鹏副教授为共同通讯作者，鹏城实验室余少华院士、南京大学陆延青教授对该工作给予了重要方向性建议和关键指导。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支持。
随着信息技术的迅猛发展，信息处理的应用场景变得日益复杂，对海量数据处理需求也在不断增长，高效且高速的计算方法成为了现代信息处理技术的核心。近年来，全光计算凭借其超快数据处理速度、超低功耗、并行处理等优势，被视为后摩尔时代的关键计算路径之一。光学微分器作为光计算器件中最基础且关键的部分之一，在生物成像、光学信息处理、光神经网络中的高速识别等方面具有重要的应用价值。目前利用各种原理实现光学微分器的研究被陆续报道，包括布鲁斯特效应、光子自旋霍尔效应和连续介质中的束缚态等。但迄今为止提出的大多数光学微分器都有一些局限性，例如只能对特定的物体或波长进行一次微分运算、工作带宽窄、只能处理一维图像、对边缘模糊的物体缺乏识别能力等。因此，构建一个功能集成的通用平台能有效促进光学微分器在实际生活中的应用。
为了克服目前光学微分器的局限性，武汉大学和南京大学的联合团队通力合作，深挖液晶分子的光谱振幅调控机理，提出了一种基于电可调谐液晶的通用技术平台，实现了微分器件从静态向动态的突破，不仅可以对输入函数进行三种不同的微分运算（零阶微分、一阶微分和二阶微分），还能实时、宽带、同步地进行三模式图像处理，即亮场成像、物体轮廓的提取以及边缘的精确定位。液晶阶数复用微分器的基本概念如图1所示，液晶微分器被放置在傅里叶平面上，其与两个焦距为f的透镜组成了一个4F成像系统，通过直接调整施加在液晶微分器上的电压，同时将入射光和出射光调制到特定的偏振态组合，将会触发液晶微分器相应的工作模式，在成像面上会出现不同的成像状态。研究人员将三种不同工作模式下的偏振态组合分别设置为正交线偏振态、正交椭圆偏振态和非正交偏振态，分别激活一阶微分、二阶微分和零阶微分的工作模式。
图1 动态可调液晶阶数复用微分器示意图
为了分析液晶微分系统的运算能力，研究人员利用氦氖激光器产生的高斯光束作为输入函数进行测试，光学模拟微分计算系统的光路如图2a所示，图2b-j分别给出了理想高斯函数的强度分布、高斯函数沿着 x 轴方向的一维一阶微分、沿着 x 轴方向的一维二阶微分、沿着 y 轴方向的一维一阶微分、沿着 y 轴方向上的一维二阶微分、二维一阶微分、二维二阶微分及两个方向截线上的光强分布，相应的实验结果如图 2k-s所示。将仿真结果图和实验结果图进行比较可以看出，实验得到的微分结果图像与理想计算结果图像虽然存在一些轻微的畸变，但总体而言，实验输出场与理论计算场吻合，说明所设计的液晶微分器具有预设的计算性能。
图2 高斯函数沿着不同方向且不同阶次的微分运算
进一步的，所提出的液晶阶数复用微分器可以集成到传统光学显微系统中，对生物样品实现三模式表面形态观测。值得说明的是，液晶的电可调性可以使微分器的工作范围几乎覆盖整个可见光波段，实验装置如图3所示。当被测物体为未染色的洋葱表皮细胞（图4）时，可以看到，三模式显微镜处于模式一时（零阶微分，图4f-j），可以很好的观测到物体的整体形貌；处于模式二时（一阶微分，图4k-o），可以对细胞的轮廓进行提取，区分距离相近的两个细胞；处于模式三时（二阶微分，图4p-t），可以对细胞的边缘进行精准定位，从而获取更细节的信息。这说明所提出的微分技术可以直接与现有的显微技术相结合，在生物样品的观测上具有巨大的应用潜力。
图3 三模式表面形态观测光路图
图4 未染色洋葱表皮细胞的三模式表面形态观测。比例尺：500 mm。
为了进一步验证所提出的三模式显微系统的普适性，研究人员利用不同时期的蛙卵细胞进行实验验证。图5和图6分别给出了蛙卵三分裂细胞和蛙卵四分裂细胞在三模式显微系统下的实验结果图，由图中可以清楚观察到不同时期的蛙卵轮廓，这说明所提的三模式显微系统可以很好地应用于微生物的培养监测。
图5 蛙卵三分裂细胞的三模式表面形态观测。比例尺：1000 mm。
图6 蛙卵四分裂细胞的三模式表面形态观测。比例尺：1000 mm。
研究团队所提出的动态可调液晶阶数复用全光微分器，通过直接对液晶微分器施加不同的电压，并配合调节光学系统中入射光与出射光的偏振态组合，不仅可以对输入函数实现三种模式的微分运算，还可以在不损害细胞内部结构的前提下，宽带范围内实时实现物体的三模式显微成像。所提方案是由纯液晶制作，无需复杂昂贵的微纳制造工艺，因此具有制作简单、成本低、实用化和可大批量生产的优势。同时，基于透射的操作模式还可以兼容标准图像处理系统，这种液晶微分器在实时图像处理、生物医学成像和光计算等领域具有广阔的应用前景。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400032
