传统模拟计算已被广泛应用于各种高级计算工作中，但其存在运行速度低、能耗高、元器件昂贵等局限性。光学模拟计算是有望解决上述问题的可行方案之一。然而，由传统光学器件组成的光学模拟计算系统体积庞大，在实际应用中难以集成。近日，湖南大学罗海陆教授团队提出了一种基于光学模拟计算的Pancharatnam-Berry相位超表面反设计方法。
超表面由一种厚度小于波长的人工结构单元所构成，具有不同于天然材料常规性质的物理特性。通过在有限体积内调制光束的相位、偏振等参数，提高了光学系统的集成度，因此图像边缘检测，超表面被广泛用于取代传统的光学器件。光学模拟计算结果的质量和效率会受到超表面结构的影响，因而对于光学模拟计算系统来说，合适的超表面结构设计是必要的。
从庞加莱球上Pancharatnam-Berry相位的演化出发，可以得到局部光轴方向与相位之间的特殊关系。在此基础上，研究人员反设计了能够实现五种常见光学模拟计算的超表面，不仅在实验中验证了他们的光学模拟计算能力并将其成功应用于全光图像边缘检测中。
通过调节入射光束的相位分布来实现光学模拟计算是最直接的方法。在光学模拟计算中，由超表面提供的适当相位调制可以显著提高效率并实现不同类型的操作。研究人员先根据所要实现的(∂Ein)⁄∂x,(∂Ein)⁄∂y,(∂Ein)⁄∂x+(∂Ein)⁄∂y,(∂2 Ein)⁄∂x ∂y,(∂Ein)⁄∂x+i (∂Ein)⁄∂y五种计算形式获得入射光经过超表面时所需要的相位分布；而后利用庞加莱球上Pancharatnam-Berry相位与局部光轴方向的演化关系制备了Pancharatnam-Berry相位的光学计算超表面。
实验证明该方法制备的光学计算超表面能够很好的实现上述五种光学模拟计算形式，且在全光图像处理领域中展现出良好效果。不论是对于普通的强度物体还是未经染色的显微细胞，研究人员都获得了较为明显的高对比度边缘图案。
研究提出的反向设计方案可以扩展到实现其他各种光学模拟计算和全光图像处理中。这项研究有望在信号处理、图像处理、和生物医学成像等领域得到广泛应用。
原文信息
原文标题：Inverse design of Pancharatnam–Berry phase metasurfaces for all-optical image edge detection
期刊号：Appl. Phys. Lett. 120, 241101 (2022)
作者：Dingyu Xu, Hua Yang, Wenhao Xu, Wenshuai Zhang, Kuiming Zeng, and Hailu Luo
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期刊介绍
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