【产通社，1月29日讯】中国科学技术大学（University of Science and Technology of China, USTC）官网消息，物理学院光电子科学与技术安徽省重点实验室张斗国教授提出并实现了一种基于介质多层薄膜的多阶光学微分运算元器件，将该微分器件应用于常规透射式光学显微系统中，可以对入射光场信息进行1阶至4阶的微分运算。研究成果近日以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission formultiple-order analog spatialdifferentiator”为题发表在综合性学术期刊Nature Communications。

在大数据信息时代，如何高速、精准、低成本的处理多样化海量数据是需要解决的关键科学问题。虽然数字信号处理技术用途极为广泛，但它在处理非重复性稀有事件（如非线性动力学过程）时，存在处理速度较慢、功耗大，需要复杂的模-数转换器件等问题。近年来，光学模拟运算由于其天然的低能耗、可大规模并行、抗电磁干扰等特性，引起了广泛的关注。特别是，随着纳米光子学的发展，科研工作者研制出各种基于微纳结构的光学模拟运算器件，用于高通量的实时数据处理。光学微分运算器件是其中的一种，它通常被用来实现图像边缘增强，在数据压缩、光学显微成像、机器视觉、自动驾驶等领域具有重要的应用价值。

截至目前，文献报道的光学微分器件都只能进行同一阶次的低阶微分运算，如1阶或者2阶微分。该研究工作表明，通过合理设计结构参数，可以在一块介质多层薄膜器件上实现从1阶到4阶的所有阶次光学微分运算；理论分析结果表明，此薄膜器件亦可以实现更高阶次的微分运算。当带有样品信息（如数字6）的光束（波函数为Ein）穿过介质多层薄膜，其透射光束的波函数Eout与入射光束波函数之间呈现出1阶或2阶微分运算关系，进而数字6的边缘被清晰展现出来。

该介质多层薄膜由高、低折射率介质（氮化硅和二氧化硅）薄膜交替叠加组成，可通过常规镀膜工艺（如等离子体增强化学气相沉积法）在各种透明衬底上大面积、低成本制备。通过调节高、低折射率薄膜的厚度和折射率参数组合，可以在动量空间调节不同偏振光波的透射率分布，进而实现最终透射光波函数与入射光波函数之间的微分关系。作为应用展示，该介质多层薄膜被用作光学显微镜的载玻片。

本校博士生刘洋同学为该论文第一作者，张斗国教授为通讯作者。上述研究工作得到了科技部，国家自然科学基金委、安徽省科技厅、合肥市科技局、唐仲英基金会等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。

查询进一步信息，请访问官方网站http://news.ustc.edu.cn/kyjz.htm，以及http://www.nature.com/articles/s41467-022-35588-5。（张怡，产通发布）    （完）