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物理系在亚波长全光模拟运算研究中取得新进展

编辑:phymaxc 时间:2017年05月31日 访问次数:805

    随着信息技术的迅猛发展,对信息处理性能的需求正在不断提高。与传统电子器件的信息处理方式相比,光学信息处理技术凭借其超快速、大带宽、大通量、低损耗等优势,已经逐渐发展成为一种重要的信息处理手段。而作为一种重要的计算方式,传统的光学模拟运算需要利用大量宏观尺寸的光学器件,所占用的空间过大,不利于运算系统的微型化和集成化。近年来,利用微纳结构实现光学模拟运算吸引了大批学者的关注和兴趣。多项理论研究结果表明,通过特殊设计的超表面或多层平板等微纳结构能够将空间微分器等光学模拟运算器件的尺寸缩小到波长量级。然而由于这些微纳设计的设计极其复杂,在实验上精确地制备这些器件并以之实现光学模拟运算存在非常大的难度,因此至今仍未有相应的实验成果出现。

(a)基于表面等离激元的空间光微分器示意图  (b)(c)利用微分器对图像实现全光学的边界检测处理

    最近,浙江大学物理系阮智超教授研究组与合作者在亚波长全光模拟运算研究中取得了新进展,该研究成果已于2017年5月在Nature Communications[Nat. Commun. 8, 15391 (2017)]上正式发表[https://www.nature.com/articles/ncomms15391]。阮智超教授研究组通过构建空间耦合模理论,设计并在实验上实现了一种基于金属表面等离激元的空间光场微分器,能够在光的反射过程中,实时地对光场的空间分布进行微分模拟运算。该器件基于最简单的表面等离激元结构,易于制备及大规模生产,器件厚度仅50nm,达到亚波长级别。在光学模拟微分运算中的精度达到94%,最小空间分辨率达到7um。该器件能够分别实现对空间光场的振幅和相位分布实现微分运算,可以直接应用于图像处理中,例如对图像实现超快速的实时边界检测、边缘提取,在医学和卫星等“海量图像”实时处理等领域中有重要的技术应用前景。
论文第一、第二作者分别为物理系博士生朱腾峰和硕士一年级周祎晗。研究工作感谢青年千人计划、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金的支持。