【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】信息時代的發(fā)展伴隨著數(shù)據(jù)量和處理需求的空前激增，將傳統(tǒng)的電子計(jì)算系統(tǒng)推向了速度和功耗的極限。全光網(wǎng)絡(luò)在高速、并行的信息處理方面有顯著的優(yōu)勢。近年來，光計(jì)算的基本組件被廣泛研究和制造；然而，全光網(wǎng)絡(luò)在成像系統(tǒng)中的應(yīng)用仍然受到限制。近日，信息科學(xué)與工程學(xué)院、激光與紅外系統(tǒng)集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授孫寶清、高原領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)頂級期刊Advanced Functional Materials(IF: 18.5)期刊上發(fā)表了題為“All-Optical Imaging Using Perovskite Nanocrystals Based on Spectro-Spatial Correlation”的研究成果，為這一難題提供了可能的全光成像方案。
 

　　在成像系統(tǒng)中，全光成像能夠提供高的成像速度，低的能耗和高效的并行處理能力，對于實(shí)時監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)成像和安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。隨著納米材料的發(fā)展和微納加工工藝的進(jìn)步，基于納米晶體材料的高效全光成像成為可能。利用納米晶體材料的光學(xué)特性在寬譜范圍可精細(xì)調(diào)諧特點(diǎn)和波分復(fù)用原理，能夠?qū)⒛繕?biāo)的二維圖像信息轉(zhuǎn)換為單根光纖內(nèi)多個波長的一維光信號。這極大地提升了信息的傳輸容量和效率，加快了成像速度，為更高效的成像系統(tǒng)提供新的解決思路。
 

　　在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過原位陰離子交換和噴墨打印工藝制備了具有可調(diào)諧光致發(fā)光光譜的鈣鈦礦發(fā)光像素陣列(PLPA)，建立了光譜與空間信息的直接關(guān)聯(lián)。這不僅將信息采集的維度從二維簡化為一維，而且提高了成像速度和效率。PLPA像元的無序排列顯著提高了光譜解混的精度，無需傳統(tǒng)焦平面探測器即可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的圖像恢復(fù)。
 

圖1鈣鈦礦發(fā)光像素陣列和光致發(fā)光光譜
 

　　研究中提出的基于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的全光成像需要每個空間位置像元處均有一種特征光譜，光譜數(shù)量越多意味著可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率越高。鈣鈦礦納米晶具有較窄的半峰寬、高量子產(chǎn)率和可調(diào)諧的光致發(fā)光光譜，可以將紫外光轉(zhuǎn)換至可見光波段進(jìn)行成像，在該領(lǐng)域有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值。通過點(diǎn)膠工藝可以在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦材料的原位陰離子交換，簡化了材料的制備過程。此外，在鈣鈦礦中混合聚合物PDMS，隔絕了水分和空氣的影響、抑制了離子遷移，其穩(wěn)定性也得到了一定程度的提高。
 

圖2 光計(jì)算成像系統(tǒng)及重構(gòu)結(jié)果
 

　　在全光成像過程中，紫外光物體激發(fā)PLPA的相應(yīng)像元。每個像元是不同的鈣鈦礦-聚合物薄膜，被激發(fā)的像元釋放出特定的光信號，然后由光譜儀收集。為避免發(fā)射光的角度依賴性，在光譜儀之前使用了一個積分球來收集所有的光譜信息。這種方式在目標(biāo)和空間信息之間建立了相關(guān)性，通過并行的光信息傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像系統(tǒng)中的空間掃描過程，實(shí)現(xiàn)了全光成像。同時，旋轉(zhuǎn)PLPA至不同的角度，在不改變目標(biāo)空間位置的同時可以得到多條光譜信息，將其聯(lián)立計(jì)算可恢復(fù)出更高質(zhì)量的圖像。
 

　　光計(jì)算相較于電子計(jì)算具有高速、寬帶寬、高并行性、低損耗和低串?dāng)_等明顯的優(yōu)勢。將光計(jì)算應(yīng)用于成像領(lǐng)域是構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)必不可少的一部分。研究中提出的這種全光成像方式提供了一種高效快速的圖像捕獲方式，同時實(shí)現(xiàn)了直接的光信號處理，從而減少了成像系統(tǒng)中的時間延遲和能量損失。這一創(chuàng)新增強(qiáng)了光信息處理在實(shí)際應(yīng)用中的潛力，特別是對紫外、X射線等高能射線的成像，使其成為光計(jì)算和成像技術(shù)不斷發(fā)展的前景中的一個有價(jià)值的工具，并有可能擴(kuò)展到其他高能粒子。
 

　　孫寶清教授、高原教授為通訊作者，2022級碩士研究生王旭紅為第一作者。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、山東省泰山學(xué)者青年專家項(xiàng)目、山東大學(xué)青年交叉科學(xué)創(chuàng)新群體等科研項(xiàng)目的資助。