哈工大仪器学院现代显微仪器研究所综述论文为新型平面光子学系统发展提供重要参考

哈工大全媒体（刘培香 王新伟/文）近日，我校仪器学院现代显微仪器研究所丁旭旻教授与南洋理工大学胡光维助理教授合作在《自然综述：电气工程》（Nature Reviews Electrical Engineering）上发表综述文章《平面光子学在信息处理和生物成像中的研究进展》（Advances in information processing and biological imaging using flat optics），全面总结了基于平面光子学的信息处理与光学成像的研究进展，为新型平面光子学系统的发展提供了重要参考。

随着信息技术的发展，光学系统与电子系统的联系越来越紧密，两者相互协同，共同推动下一代信息科学的发展。这种联系来源于两个领域间的相似性：一方面，光学成像系统和电子通信系统都可以用来收集和传递信息，前者传递的信息一般是时间性的（如电压或电流波形），而后者则是空间性的（如光波振幅或强度的空间分布）。更重要的是，它们具有相似的数学特性，即线性和时间/空间不变性，因此均可用相似的数学方法——系统传递函数来分析系统特性，即系统的响应可以表示为输入信号与脉冲响应函数（核函数）的卷积。因此，要实现特定的信息处理系统或光学成像系统，本质上在于设计其系统的传递函数。

超构表面是由周期性或非周期性特殊排列的亚波长纳米结构组成的平面光子学元件。利用贵金属中的等离子体共振或高折射率介电材料中的米氏共振，超构表面能够实现在亚波长的平面结构上调控局域/非局域的光与物质相互作用，并且通过多种材料平台和物理机制实现对光场特性的全面控制。超构表面的提出引领了整个平面光子学领域的发展，改写了传统的折反射定律。这种超薄的平面结构可以完全控制光的相位、振幅、偏振和色散特性，并且具有高透射效率、高集成性、易于制造以及与CMOS芯片兼容等一系列优点。更重要的是，其强大的光场调控能力为多维光学系统传递函数的设计奠定了基础。

作者从传递函数这一普适性概念出发，聚焦于计算平面光子学与先进光学成像这一新兴的跨学科领域，综述了基于超构表面的光学模拟计算与光学成像这两个领域的内在联系及最新发展趋势。文章首先探讨了多维平面光子学器件及其典型功能，包括光学聚焦、偏振控制及色散调控；总结了计算平面光子学平台的相关技术原理，如频域滤波、空域滤波和干涉差分；重点介绍了将用于信息处理的计算平面光子学器件应用于光学成像系统中，构建新型光学成像模态和系统，如相位成像、三维成像、荧光成像、超分辨成像和高光谱成像；最后讨论了平面光子学领域面临的机遇与挑战，包括商业化、大批量生产、集成化与智能化，为这一新兴的先进光学成像与信息处理领域的未来发展方向提供独特的见解。

《自然综述：电气工程》是《自然》旗下期刊集合（Nature Portfolio）推出的发表高质量综述、观点和评论文章的期刊，涵盖该领域的传统核心学科，包括电力、电子、控制系统、信号处理和通信工程，提供有关新兴技术和实际应用的高质量内容。该工作获得国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金资助。哈工大为论文第一单位，哈工大博士研究生王新伟、郝慧捷，南洋理工大学何晓媛为共同第一作者，丁旭旻教授、胡光维教授为通讯作者。同时该工作获得哈工大仪器学院刘俭教授、谭久彬院士的指导和大力支持，也是第一篇哈工大为论文第一单位的《自然综述》系列文章。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s44287-024-00057-2

图1 多维传递函数工程

图2 平面光子学的典型特性