基于相变材料的可重构超构表面用于图像处理

光学超构表面（metasurface）实现了在亚波长尺度内的模拟计算和图像处理，并具备更低的功耗、更快的速度。虽然人们已经展示了各种图像处理超构表面，但大多数考虑的器件都是静态的，缺乏可重构性。然而，动态可重构处理的能力是超构表面用于实际计算系统的关键。

据麦姆斯咨询报道，美国纽约市立大学（City University of New York）、罗切斯特大学（University of Rochester）、澳大利亚墨尔本大学（The University of Melbourne）等机构的研究人员组成的团队提出了一种在近红外（NIR）区域工作的无源边缘检测超构表面，其响应可通过小于10℃的温度变化（围绕CMOS兼容温度65℃）来大幅改变。这种可重构性是通过利用薄层二氧化钒（VO₂）的绝缘体-金属相变来实现的，这显著改变了超构表面的非局部响应。重要的是，这种可重构性伴随着接近最佳的性能指标（如数值孔径、效率、各向同性和偏振无关性），并且它可与简单的几何形状相结合，适合大规模制造。这项研究工作为新一代超紧凑、可调谐、无源器件的全光学计算奠定了基础，有望应用于增强现实（AR）、遥感和生物医学成像等领域。上述研究成果以“Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials”为题发表于Nature Communications期刊上。

超构表面设计如图1a和1b所示。它由一块高度为H的硅板组成，硅板上有半径为R的圆柱形孔，这些孔以间距为a的三角晶格排列。硅板位于厚度为h的均匀二氧化钒薄膜上，整个器件由石英衬底支撑。该设计利用COMSOL Multiphysics进行了数值优化，以获得近红外（1500 nm-1700 nm）波长范围内所需的可重构响应。

图1 本文所提出的超构表面的工作原理和模拟光学响应

图1c显示了优化的器件（H = 320 nm、R = 310 nm、a = 960 nm、h = 35 nm）对于VO₂在绝缘相和金属相时的垂直入射透射光谱。为了验证该设计是否可以执行可重构边缘检测，研究人员利用数值方法计算了VO₂两相超构表面的角度相关透射（图1d和1e）。

研究人员制造了一个参数接近数值优化设计的超构表面。制造工艺采用标准光刻和蚀刻技术。图2a和2b显示了制造的样品的SEM图像，其中孔半径R ≈ 350 nm、VO₂厚度h ≈ 35 nm、硅厚度H ≈ 360 nm、晶格常数a = 960 nm，研究人员选择该样品进行光学表征和实验，结果如图2c-2e所示。

图2 实验测得的超构表面的光学响应

接下来，研究人员验证了除了垂直入射响应之外，VO₂的相变还能大幅重构超构表面的非局部响应——表现为随角度变化的透射振幅——这对于改进超构表面的图像处理功能至关重要。为此，研究人员进行了与温度和角度相关的s偏振透射测量，结果如图3所示。

图3 超构表面滤波响应的热控制

在验证了温度引起的超构表面非局部性的可重构之后，研究人员继续演示该平台可用于实现具有边缘检测功能的图像处理器件，该器件可通过温度变化（小于10℃）快速打开和关闭。成像实验设置及结果如图4所示，其中输入图像为纽约市立大学（CUNY）的logo（横向尺寸约为150 µm）。

图4 可重构边缘检测实验

为了进一步验证器件的可重构图像处理能力，研究人员使用不同的输入图像重复了成像实验，输入图像（20 µm × 100 µm的矩形）及成像结果如图5所示。

与图4中观察到的结果类似，当温度升高到T = 60℃以上时，输出图像会发生突然变化，当温度高于66℃时，输出图像会变形为未滤波的衰减图像。

图5 使用矩形输入图像的可重构边缘检测实验

综上所述，这项研究展示了相变材料可用于显著控制超构表面的非局部性和角度相关的透射分布，从而实现亚波长无源边缘检测器件，其图像处理可通过温度变化在CMOS兼容温度T₀ = 65℃附近小于10℃的范围内进行有效控制。这种可重构性是通过利用二氧化钒层在接近T₀温度时产生的绝缘体-金属相变来实现的。所提出的设计原理基于在较厚的超构表面中添加一层薄的VO₂，从而使超构表面的光学特性发生显著变化，并且当VO₂处于绝缘相时，可将吸收损耗降至最低。

本文所提出的方案和设计使这种可重构图像处理超构表面适合大规模生产。特别是，与以前报道的方案不同，该方案不需要任何机械和/或移动部件、电偏置或高功率光学激发。

重要的是，本研究展示的计算超构表面不需要使用4f透镜系统，因为所需的数学运算是直接在现实空间中通过根据传播角度过滤不同的平面波来实现的。

进一步改进本文所提出的设计可以实现更复杂的响应。总之，这些成果有望为可重构的无4f图像处理超构表面在增强现实、卫星系统和环境监测以及材料研究等领域的应用奠定基础。