微纳光学计算——突破傍轴条件的宽场傅里叶超表面透镜

如何实现光学计算是人类一个久远的梦想,与电子计算相比,光子计算天然具有并行传输能力强、信息传输维度高等优势。然而光学计算受限于传统光学材料光场调控手段单一、光学设计体积庞大的缺点。近年来,人工微结构超表面的出现使得人们发现了多种光与物质相互作用新模式,利用亚波长尺度微结构超表面对光场不同维度的深度调制,可以产生多种光场调控新奇物理现象,同时大大缩减光学功能器件的设计尺寸,对于进一步实现集成化光学处理技术具有深远意义。傅里叶透镜作为光场空间变换的基础性元件,在光学校正、空间滤波等领域具有广泛的应用。传统的傅里叶透镜利用薄透镜或复杂透镜组来实现,前者只能工作在傍轴条件下,后者虽然可以实现宽场入射却因复杂设计与庞大体积限制了光学系统的微型化与集成化。

近期,南开大学的陈树琪教授团队利用大高宽比的非晶硅波导结构设计实现了突破傍轴条件的宽带微结构傅里叶透镜。这种超表面利用了非晶硅的高折射率特性,当入射电磁波耦合到高度约为一个波长的微结构中会激发出波导模式,通过波导的宽度参数的改变可以实现出射电磁波相位的调控。该团队发现这种非晶硅波导对于不同入射角度与入射波长具有显著的模式保护特性,从而可以实现突破傍轴条件的宽带微结构设计。另一方面,借助于优化的相位设计,该团队进一步实现了具有大数值孔径的微结构傅里叶透镜。通过与商业傅里叶透镜测试对比,该微结构透镜明显拓宽了视场范围,对于高级次傅里叶分量实现了高度再现。

研究人员相信,基于微结构的高性能透镜研究,对于光学系统的集成化设计以及光学计算芯片的开发具有重要意义,并可以应用于超分辨成像、图像处理、微纳加工等领域,相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201706368)上,并在Advanced Science News上以视频新闻的方式进行了报道。

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