光學超構表面（metasurface）實現了在亞波長尺度內的模擬計算和圖像處理，并具備更低的功耗、更快的速度。雖然人們已經展示了各種圖像處理超構表面，但大多數考慮的器件都是靜態的，缺乏可重構性。然而，動態可重構處理的能力是超構表面用于實際計算系統的關鍵。

據麥姆斯咨詢報道，美國紐約市立大學（City University of New York）、羅切斯特大學（University of Rochester）、澳大利亞墨爾本大學（The University of Melbourne）等機構的研究人員組成的團隊提出了一種在近紅外（NIR）區域工作的無源邊緣檢測超構表面，其響應可通過小于10℃的溫度變化（圍繞CMOS兼容溫度65℃）來大幅改變。這種可重構性是通過利用薄層二氧化釩（VO?）的絕緣體-金屬相變來實現的，這顯著改變了超構表面的非局部響應。重要的是，這種可重構性伴隨著接近最佳的性能指標（如數值孔徑、效率、各向同性和偏振無關性），并且它可與簡單的幾何形狀相結合，適合大規模制造。這項研究工作為新一代超緊湊、可調諧、無源器件的全光學計算奠定了基礎，有望應用于增強現實（AR）、遙感和生物醫學成像等領域。上述研究成果以“Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials”為題發表于Nature Communications期刊上。

超構表面設計如圖1a和1b所示。它由一塊高度為H的硅板組成，硅板上有半徑為R的圓柱形孔，這些孔以間距為a的三角晶格排列。硅板位于厚度為h的均勻二氧化釩薄膜上，整個器件由石英襯底支撐。該設計利用COMSOL Multiphysics進行了數值優化，以獲得近紅外（1500 nm-1700 nm）波長范圍內所需的可重構響應。

圖1 本文所提出的超構表面的工作原理和模擬光學響應

圖1c顯示了優化的器件（H = 320 nm、R = 310 nm、a = 960 nm、h = 35 nm）對于VO?在絕緣相和金屬相時的垂直入射透射光譜。為了驗證該設計是否可以執行可重構邊緣檢測，研究人員利用數值方法計算了VO?兩相超構表面的角度相關透射（圖1d和1e）。

研究人員制造了一個參數接近數值優化設計的超構表面。制造工藝采用標準光刻和蝕刻技術。圖2a和2b顯示了制造的樣品的SEM圖像，其中孔半徑R ≈ 350 nm、VO?厚度h ≈ 35 nm、硅厚度H ≈ 360 nm、晶格常數a = 960 nm，研究人員選擇該樣品進行光學表征和實驗，結果如圖2c-2e所示。

圖2 實驗測得的超構表面的光學響應

接下來，研究人員驗證了除了垂直入射響應之外，VO?的相變還能大幅重構超構表面的非局部響應——表現為隨角度變化的透射振幅——這對于改進超構表面的圖像處理功能至關重要。為此，研究人員進行了與溫度和角度相關的s偏振透射測量，結果如圖3所示。

圖3 超構表面濾波響應的熱控制

在驗證了溫度引起的超構表面非局部性的可重構之后，研究人員繼續演示該平臺可用于實現具有邊緣檢測功能的圖像處理器件，該器件可通過溫度變化（小于10℃）快速打開和關閉。成像實驗設置及結果如圖4所示，其中輸入圖像為紐約市立大學（CUNY）的logo（橫向尺寸約為150 μm）。

圖4 可重構邊緣檢測實驗

為了進一步驗證器件的可重構圖像處理能力，研究人員使用不同的輸入圖像重復了成像實驗，輸入圖像（20?μm?×?100?μm的矩形）及成像結果如圖5所示。

與圖4中觀察到的結果類似，當溫度升高到T = 60℃以上時，輸出圖像會發生突然變化，當溫度高于66℃時，輸出圖像會變形為未濾波的衰減圖像。

圖5 使用矩形輸入圖像的可重構邊緣檢測實驗

綜上所述，這項研究展示了相變材料可用于顯著控制超構表面的非局部性和角度相關的透射分布，從而實現亞波長無源邊緣檢測器件，其圖像處理可通過溫度變化在CMOS兼容溫度T? = 65℃附近小于10℃的范圍內進行有效控制。這種可重構性是通過利用二氧化釩層在接近T?溫度時產生的絕緣體-金屬相變來實現的。所提出的設計原理基于在較厚的超構表面中添加一層薄的VO?，從而使超構表面的光學特性發生顯著變化，并且當VO?處于絕緣相時，可將吸收損耗降至最低。

本文所提出的方案和設計使這種可重構圖像處理超構表面適合大規模生產。特別是，與以前報道的方案不同，該方案不需要任何機械和/或移動部件、電偏置或高功率光學激發。

重要的是，本研究展示的計算超構表面不需要使用4f透鏡系統，因為所需的數學運算是直接在現實空間中通過根據傳播角度過濾不同的平面波來實現的。

進一步改進本文所提出的設計可以實現更復雜的響應。總之，這些成果有望為可重構的無4f圖像處理超構表面在增強現實、衛星系統和環境監測以及材料研究等領域的應用奠定基礎。