基于金属表面等离激元的片上空间光场模拟运算研究

Recently it is a rather attractive topic in nanophotonics research to design and fabricate on-chip analog signal processer on optical spatial field. Such on-chip devices demonstrate important potential applications including ultrafast processing to space or medical imaging, parallel computation, and target recognition. In this program, we focus the investigation on spatial field transforming when light excites surface plasmon polaritons (SPPs) in periodic metallic nanostructures. We study the underlying physical mechanisms of field transformation and realize spatial analog operation by manipulating the SPP excitation. Additionally, we design, fabricate, and characterize SPP-based analog spatial field processers, which are compatible to silicon planar optoelectronic devices. The SPP-based analog operation is a complex field transformation with specific angular spectrum. The study to this process is of great significance to understand field transformation in nanoscale dimension, and furthermore promises a variety of applications regarding new generation optical information processing.

设计和制备片上空间光场模拟计算器件是当前微纳光子学研究中相当活跃的一个研究方向，在高速、大通量图像处理(卫星和医学图像)、并行计算、目标识别等方面有重要的技术应用。本项目紧密围绕基于微纳金属表面等离激元（SPP）的光场变换技术，研究周期性微纳金属结构的空间光场模拟运算的物理机理和调控机制，设计、制备并表征可与硅基平面光电器件集成的片上空间光场模拟运算器件。本项目拟研究的SPP空间光场模拟运算过程是一种具有特定空间角谱特征和分布的传播行为，涉及复杂的结构特性，它不仅对微纳光场变换研究具有重要意义，而且对于新一代光信息处理具有重要应用价值。

本项目研究了金属表面等离激元微纳结构实现空间光场模拟运算的物理机理和调控机制，在国际光学领域刊物上共发表论文10篇（其中ESI高被引论文2篇），包括Nature Communications 1篇，Physical Review Applied 4篇，Optics Letters 3篇。其中基于表面等离激元的空间微分器入选“2017年度中国光学十大进展—应用研究类”。项目培养博士生3人，硕士生1人。项目取得代表性研究成果总结概括为三个方面： 1）设计并制备了基于表面等离激元的、亚波长厚度的空间光场微分器，实现了制备工艺相对简单、可集成的模拟运算器件，并展示了其在图像边界实时检测方面的应用； 2）针对表面等离激元空间微分器只能实现p偏振光场的空间微分运算的不足，提出了利用光学自旋霍尔效应设计微分器件，可对s/p偏振分别进行一阶空间微分运算，并在实验上展示了对图像的边缘提取；3）基于单层石墨烯和衍射光栅等微纳结构，分别设计了高阶、多波长空间微分器和计算散度的空间光场模拟运算器件。研究成果不仅对微纳光场变换研究具有重要意义，而且对于发展新一代光信息处理技术具有重要应用价值。