南大实现具有手性选择性光子晶体结构，可用于智能汽车和智慧工厂

近日，南京大学陆延青教授和寇君龙教授课题组研发出一种基于光子晶体圆偏振态的多功能成像器，该器件能够同时提供亮场成像和高分辨率的边缘检测两种可切换功能。

这项研究首次将 C 点的手性选择性应用于光学图像处理，拓展了光子晶体在新兴光计算及成像领域的应用，为非侵入式生物成像（如细胞膜动力学观测）、半导体缺陷检测及自动驾驶中的实时场景解析等领域带来了新的机遇。

具体来说，他们提出一种基于面内 C2 对称性破缺的光子晶体板结构设计，并结合时域耦合模理论和参数工程，成功实现了具有手性选择性的光子晶体结构。通过调整厚度和占空比参数，该团队利用仿真手段实现了圆二色性（CD，Circular Dichroism）高达 0.97 的手性结构，并利用其手性选择性来实现光学图像处理的应用。

研究团队首先确定了该光子晶体板成像器的两套光传递函数，随后通过成像仿真与实验两种方法演示了该成像器对于不同目标图案在边缘检测和亮场成像两种可切换功能上的良好表现。此外，这种基于 C 点的边缘增强方法还实现了波长量级的高分辨率（1.6λ）。这一验证结果为该成像器的实际应用奠定了基础。

该研究聚焦于圆偏振光与光子晶体的圆偏振点相互作用时产生的自旋依赖散射和偏振态调制，通过精确控制相位、偏振和透反射幅度，展现了增强边缘检测的巨大潜力。

课题组所设计的光子晶体成像器能够实时切换边缘检测与传统亮场成像这两种不同的功能，并提供波长量级的高分辨率。这样的设计在许多复杂物体的识别场景中，有望实现实时、完整的样品信息的呈现。

在智能汽车、智慧工厂以及生物医学成像等领域都有着应用前景，比如可以用于自动驾驶的目标识别与实时场景解析，这让现有车载摄像头在雨雾天气或强光干扰下的边缘识别失准问题有望得到根本性解决。该团队的光子晶体成像器可利用偏振特征，在毫米波雷达失效的场景下（如隧道金属反光、雪地强漫射），通过自旋霍尔效应分离目标物体的几何边界与光学伪影。与此同时，本次成果还可用于半导体缺陷检测、非侵入式生物成像比如细胞膜动力学观测等。

在现代生活和科研中，边缘提取与增强技术在自动驾驶汽车的目标识别、虚拟现实、智慧城市以及生物医学成像等领域都发挥着重要的作用。

相比基于电子元件的数字处理方法，光学模拟计算能够以更快速和高效的方式获得最终结果。随着光技术和光芯片的迅猛发展，基于不同光学原理与现象的边缘检测方法成为了热门的研究课题。

传统的光学图像处理方法通常需要多个透镜的配合，这导致整个成像系统体积庞大且难以集成。采用新型微纳光子结构（如超表面和光子晶体）进行光学图像处理，可以显著地缩小光学系统的尺寸。

最近，各种纳米光子技术在边缘检测和成像方面取得了很大进展，包括利用表面等离子体共振、螺旋相位掩模和光的自旋霍尔效应等。这些方法通过精确控制相位和偏振，展现了增强边缘检测的巨大潜力，且在某些性能指标上取得了突破。

然而，大多数现有研究仍局限于单向边缘检测或单一功能，且通常需要添加额外的光学组件，这限制了图像处理器的紧凑性和多功能性。此外，在许多复杂物体的识别场景中，实时、完整的样品信息的同步呈现也至关重要。因此，同时实现物体边缘检测和明场成像显得尤为重要。为了解决上述问题，课题组开展了本次研究。

研究前期，在组内前沿内容的学习与讨论过程中，该团队捕捉到基于传统边缘检测技术在低对比度、复杂背景场景中的局限性，基于已有的知识储备提出利用光子晶体的圆偏振点的手性选择性来实现边缘特征提取的创新思路。

然后，课题组通过构建基于有限元分析的光子晶体本征分析、透反射模型，结合时域耦合模理论与等效介质理论，得到了圆偏振光与光子晶体 C 点的相互作用机制，并量化其手性选择性的程度，实现了圆二色性接近一的完美手性结构。

随后，该团队基于 MATLAB 实现了该光子晶体成像器与传统 4f 系统耦合的成像过程的仿真，验证了其边缘检测和亮场成像的高分辨率与可切换性，在仿真过程中多次应用菲涅耳衍射与傅里叶分析。

实验中，课题组开发了基于该光子晶体成像器的自旋分辨成像平台，随后进行了图像采集与数据处理，并进一步探索了该技术的多场景适用性，旨在推动其在自动驾驶和工业检测中的应用。

值得注意的是，在研究早期课题组花费大量时间在理论建模和仿真优化方面。尤其是在探索光子晶体圆偏振态的手性选择性时，研究团队遇到了一个关键的瓶颈：如何通过对称性破缺设计来实现高圆二色性。经过数月的反复尝试和调整，终于在某个深夜研究团队成功实现了圆二色性值接近 1 的手性结构，大家激动得几乎忘记了疲惫。

实验系统的搭建则是整个研究中最具挑战性的部分之一。课题组需要将光子晶体成像器与复杂的光学系统集成，确保光路的精确对准和稳定性，边缘检测也需要在一个极其苛刻的小角度入射条件下实现。

某一次研究团队在调试光路时发现，无论如何调整成像效果都不理想。经过反复排查，最终发现是一个透镜的位置偏差导致整个光路偏移，之后他们决定引入导轨固定各个光学元件，并使用精密调整架控制光子晶体板与入射光的夹角。“这个小小的偏差几乎让我们前功尽弃，但也让我们深刻认识到实验中的每一个细节都至关重要。”寇君龙表示。

日前，相关论文以《通过光学圆偏振状态实现自旋依赖的边缘检测和成像》（Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states）为题发在Light: Advanced Manufacturing[1]，Jiale Chen 是第一作者，南京大学陆延青教授和寇君龙教授担任共同通讯作者。

后续，他们计划进一步应用光子晶体的两个圆偏振态间的 PB（Pancharatnam-Berry Phase）相位梯度，以实现可控的光束位移。通过控制入射光的偏振态和偏振角，实现对光束位移的大小和方向的控制，目前正在实验验证中。

另据悉，该团队目前主要从事光电器件的研究工作，聚焦于微纳光子学的新物理现象及其与新型电路系统的前沿交叉研究。

课题组近半年已经发表成果的研究方向包括：

基于手性奇异点的非厄米电路设计与传感技术，通过单向电容耦合构建电学电路中的奇异点系统，实现微扰响应灵敏度提升，为高精度传感器开发提供新范式 [2]。

其实现了微纳结构调控的光电器件，实现了逆向设计驱动的多功能光子芯片，通过拓扑优化等方法开发可重构光学算术单元与多任务元表面器件、利用几何相位和圆偏振的转换效率，来调制复光瞳函数实现二维边缘检测和高斯滤波的超表面，有望在生物医学和工业检测领域实现高分辨率实时成像，相关论文发表在ACS PhotonicsChip等期刊。

与此同时，课题组也在开展有源光电器件的研究与激光系统的组件与集成。

参考资料：

1.Chen, J., Chen, Z. X., Zhou, Z. X., Lu, Y. Q., & Kou, J. L. (2025). Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states.Light: Advanced Manufacturing, 6(1), 62-70.

2.Zhao, W., Zhang, Y., Gao, Z. et al. Exceptional points induced by unidirectional coupling in electronic circuits.Nat Commun15, 9907 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53929-4

3. X. Jiang, P. Lin, Y. Zhang, T. Tao, Y. Du, X. Tu, T. Xu, Y. Lu, and J.-l. Kou (2025) Complex-Amplitude-Modulated Meta-Device for Optical Image Processing,Chip4, 100132

4. Z.-x Zhou, X.-y Zhang, H. Qin, Z.-x Gao, Y.-a Zhang, C. Huang, F. Fang, Y.-q Lu, and J.-l. Kou (2025) Inverse Design of Multiplexable Meta-devices for Imaging and Processing.ACS Photonics12, 1, 246-252

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