用于双向光控制的傅里叶像素

《Nature》：Fourier pixels for bidirectional light control

　　

数码相机和显示器使用执行单一功能的图像单元（pixel）：探测或发射光强。为了利用电磁波的全部信息容量，需要更先进的单元。这推动了多功能器件的发展，例如可同时探测和发射强度的元件，或提取强度与光谱信息的元件。然而，目前尚不存在一种像素能够同时感知并生成光学波前，并对振幅、相位和偏振实现完整控制，这限制了复杂光场的双向控制与反馈。研究人员在此提出了实现此类像素的一条路径：通过演示一种基于傅里叶光学（Fourier optics）的微型衍射元件通用平台。研究中采用表面等离激元极化激元（surface plasmon polariton, SPP）波，这类波可在金属表面上实现相干传播并具有较高效率。当这些等离激元被激发并朝向利用简单傅里叶分析设计的波状微结构传播时，可产生任意且无背景的光学波前。反之，入射光也可被感知，并且其振幅、相位和偏振能够被完整表征。通过组合或叠加多个此类元件，研究人员构建了多功能“傅里叶像素”，可对光场提供紧凑而精确的控制。该方法进一步扩展至光子波导模（photonic waveguide modes），建立了一种可扩展、通用的矢量可编程像素架构，可应用于自适应光学（adaptive optics）、全息显示（holographic displays）、光通信（optical communication）和量子信息处理（quantum information processing）。

该论文发表于《Nature》，围绕一种能够同时“发光”与“感光”的新型光学像素展开，旨在突破传统像素仅处理单一光学参量的局限。现有相机像素主要记录光强，显示像素主要输出光强，空间光调制器（SLM）则多侧重相位调控；然而电磁波所承载的信息不仅包括振幅，还包括相位与偏振。若一个微型单元能够在同一器件中同时实现振幅、相位和偏振的生成、分析与反馈，就可为复杂光场操控、片上集成光学和智能成像显示提供基础单元。此前，超表面（metasurface）和非局域超表面虽已在波前整形、偏振成像、相位探测和矢量光场生成方面取得进展，但尚未实现真正意义上的“全参量双向控制”。其中一个根本原因在于，多数超表面依赖离散亚波长谐振单元逼近连续正弦界面，随着目标功能增多，设计会迅速变得不直观且计算代价高昂，且优化过程容易陷入复杂、崎岖的参数空间。基于此，研究人员转向可精确构造连续波状轮廓的傅里叶表面（Fourier surfaces），借助直接傅里叶分析代替繁重的电磁迭代仿真，建立了可叠加、可模块化、可缩放的傅里叶像素架构。

作者开展研究所依赖的关键技术方法主要包括以下几类：首先，以傅里叶光学反演和菲涅耳（Fresnel）/夫琅禾费（Fraunhofer）传播理论为核心，建立傅里叶元件高度轮廓的逆向设计方法；其次，以表面等离激元极化激元（SPP）作为片上传播的相干导模，并通过正交光栅激发不同传播方向与偏振通道；再次，采用热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography, TSPL）制备纳米精度的连续波状界面，并在银（Ag）表面及氮化硅（SiN_x）波导平台实现器件；最后，通过显微傅里叶成像、偏振分析和空间光调制器（SLM）相位控制，对器件的发光、聚焦、相位传感和斯托克斯（Stokes）偏振测量能力进行实验验证。文中未涉及生物样本或临床样本队列。

在研究主体中，论文首先提出了傅里叶像素的工作原理。研究人员将其定义为由导波源、传播路径和衍射傅里叶元件组成的界面器件集合。该结构核心思想是：先在表面激发SPP，再让SPP沿界面传播至经精确构造的傅里叶元件，由后者将导波转换为预定自由空间光场。若器件工作在“生成模式”，则能够输出目标波前；若工作在“感知模式”，则入射光先转化为SPP，再通过同样的元件编码为可读出的输出分布，从而实现对入射光振幅、相位和偏振的完整分析。更重要的是，不同功能所对应的表面轮廓可以直接叠加在同一傅里叶元件上，因此一个像素即可兼具多重功能。

在“Fourier pixels for light generation”部分，研究人员首先证明该平台可生成任意振幅与相位的光场。基于银表面高效传播的SPP，他们设计出能够产生高斯涡旋光束的像素。对于拓扑荷数为 \(q=+1\)、\(q=+3\) 和 \(q=+5\) 的输出，实验均观察到典型的环形强度分布和中心相位奇点，说明器件可以高保真地产生带轨道角动量的涡旋波前。研究还展示了能够在傅里叶平面投影平坦相位图像的傅里叶像素，其图像具有较均匀的强度、较低散斑对比度和较高信号背景比，说明波前编码精度较高。进一步地，研究人员将透镜功能直接编码进傅里叶元件，制备出可在像素上方 25?μm 处形成单个衍射极限焦点以及焦点阵列的器件，表明该方法不仅适用于远场傅里叶平面输出，也适用于任意给定平面的三维波前整形。实验还显示，此类聚焦像素在 500–700?nm 范围内的总效率可超过 40%。

随后，论文在“Vectorial Fourier pixels for full light control and multiplexing”部分将调控拓展到偏振维度。研究人员利用两组相互正交的入射光栅，分别激发具有不同波矢和面内偏振的SPP通道，再通过相干叠加构造任意振幅、相位与偏振的输出场。基于这一策略，器件成功生成了一阶和二阶矢量光束，其偏振方向沿传播轴周围分别旋转 \(2\pi\) 和 \(4\pi\)。通过检测路径中线偏振片旋转时光束形貌的响应，证明输出场确实具有目标空间变偏振结构。更进一步，作者将两幅图像编码进相互正交的偏振态中，实现偏振复用成像：分析器旋转时，可在同一傅里叶元件输出的复合场中选择性读出不同图像，而串扰可忽略。这说明傅里叶像素不仅能执行全矢量波前设计，也具备信息复用能力。

在“Fourier pixels for light sensing”部分，研究重点转向传感功能。首先，研究人员设计了一种相位传感傅里叶像素，用于测量照射在两个相对光栅上的入射光之间的相位差 \(\varphi _{\rm{in}}\)。两个光栅激发相向传播的SPP，中央傅里叶元件则向两个输出光场附加与出射角 \(\theta\) 相关的相位差 \(\varphi _{\rm{out}}\)。当 \(\varphi _{\rm{out}}\) 与输入相位关系满足破坏性干涉条件时，输出傅里叶平面中出现暗节点。通过测量干涉极小对应的 \({\hat{\varphi }}_{\rm{out}}\)，即可得到输入相位差 \({\hat{\varphi }}_{\rm{in}}=\pi -{\hat{\varphi }}_{\rm{out}}\)。实验中，作者使用SLM系统性调节输入相位，并证明提取值与设定值高度一致，且灵敏度高到足以反映激光入射角约 0.07° 的波动。这一结果表明，傅里叶像素可在无需参考波的条件下完成高灵敏相位测量。

同一部分还提出了全斯托克斯偏振传感器。研究人员构建矢量傅里叶像素，使未知偏振入射场 \({{\bf{E}}}_{\rm{in}}\) 分别通过两组正交光栅耦合进入 \(x\) 与 \(y\) 两条SPP路径。傅里叶元件在输出面生成两个相互叠加的矩形图像，其中一条路径不附加相位，另一条路径在不同区域中分别附加 \(0\)、\(\pi /2\)、\(\pi\) 和 \(3\pi /2\) 的相位延迟。这样，输出不同区域的强度差异就直接对应斯托克斯参数 \({S}_{0}\)、\({S}_{1}\)、\({S}_{2}\) 和 \({S}_{3}\)，可据此恢复总强度、线偏振度和圆偏振度。实验采用对角线线偏振、右旋圆偏振和左旋圆偏振作为输入，分别测得与预期一致的斯托克斯结果，验证了单层薄元件中集成线偏振器、半波片和四分之一波片功能的可行性。

在“Multifunctional devices for full sensing of optical fields”部分，论文展示了傅里叶像素最具代表性的优势，即不同功能的紧凑集成。研究人员给出了两种体系结构：其一是将两个相位传感器和一个Stokes传感器并置，通过三个傅里叶元件将信息投影到输出傅里叶平面的不同位置；其二是将三个傅里叶元件进一步叠加到单一傅里叶像素中，从而在 30?×?30?μm² 乃至 10?×?10?μm² 的面积内同时实现振幅、相位与偏振检测。借助这些器件，作者成功重建了更大尺度复杂光场的相位或偏振分布，包括涡旋光束的相位图、三叶像差（trefoil aberration）相位图，以及矢量光束的偏振奇点分布。器件的空间分辨率由像素尺寸决定，在实验中达到 25?μm。这部分结果说明，傅里叶像素已经不只是单一功能的演示器件，而是具备向阵列化复杂成像与感知系统扩展的基础。

讨论部分强调了该工作的几个核心贡献。首先，由于器件表面轮廓较浅，多功能叠加引起的高阶串扰预计比目标输出弱 10⁵ 倍，从而保证不同功能的相对独立性。其次，浅表面近似使器件设计可由线性衍射理论直接给出，不依赖电磁数值仿真，显著降低设计门槛并加快迭代效率，据文中所述，从概念到器件通常仅需约 1 天。再次，该方法并不限于银表面的SPP，也可推广至亚波长缝隙、热激发、电激发或量子发射体能量转移产生的导波，还可扩展至硅、SiN_x 或铌酸锂等材料中的光子波导模，因此具备与光子集成电路兼容的潜力。作者还指出，若将针对不同波长设计的傅里叶像素进行簇集，可进一步获取光谱信息；若构建像素阵列，则有望形成兼具探测与显示的“camera–display”系统。虽然当前像素本身是静态的，但通过引入可调材料、非线性材料或通过SLM调节输入相位，仍可在系统级实现动态可编程输出。文中还展示了具备双向功能的器件实例：像素一方面测量入射光相位，另一方面在中间平面形成聚焦光斑，且焦点位置依赖输入相位，因此传感结果可直接用于预测或校正输出焦点。这一闭环能力是传统像素与多数超表面器件所不具备的。

研究结论可概括为：研究人员建立了一种基于傅里叶表面与导波衍射的通用像素架构，能够在微型足迹内对光场的振幅、相位和偏振进行双向、全矢量控制；该架构既可生成任意波前，也可测量复杂入射场，并可通过功能叠加构建多功能单像素器件。该工作为自适应光学、全息显示、片上光通信、复杂光场传感和量子信息处理提供了新的基础器件方案，也为简单设计、模块化组合和可扩展集成的先进光学系统奠定了方法学基础。