【儀表網 研發快訊】信息時代的發展伴隨著數據量和處理需求的空前激增，將傳統的電子計算系統推向了速度和功耗的極限。全光網絡在高速、并行的信息處理方面有顯著的優勢。近年來，光計算的基本組件被廣泛研究和制造；然而，全光網絡在成像系統中的應用仍然受到限制。近日，信息科學與工程學院、激光與紅外系統集成教育部重點實驗室教授孫寶清、高原領導的科研團隊在材料科學頂級期刊Advanced Functional Materials(IF: 18.5)期刊上發表了題為“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，對于實時監控、生物醫學成像和安全監測等領域具有重要意義。隨著納米材料的發展和微納加工工藝的進步，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特性在寬譜范圍可精細調諧特點和波分復用原理，能夠將目標的二維圖像信息轉換為單根光纖內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提供新的解決思路。
 

　　在本研究中，研究團隊通過原位陰離子交換和噴墨打印工藝制備了具有可調諧光致發光光譜的鈣鈦礦發光像素陣列(PLPA)，建立了光譜與空間信息的直接關聯。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，無需傳統焦平面探測器即可實現快速準確的圖像恢復。
 

圖1鈣鈦礦發光像素陣列和光致發光光譜
 

　　研究中提出的基于波分復用(WDM)技術的全光成像需要每個空間位置像元處均有一種特征光譜，光譜數量越多意味著可實現的空間分辨率越高。鈣鈦礦納米晶具有較窄的半峰寬、高量子產率和可調諧的光致發光光譜，可以將紫外光轉換至可見光波段進行成像，在該領域有很高的潛在應用價值。通過點膠工藝可以在玻璃基板上實現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，其穩定性也得到了一定程度的提高。
 

圖2 光計算成像系統及重構結果
 

　　在全光成像過程中，紫外光物體激發PLPA的相應像元。每個像元是不同的鈣鈦礦-聚合物薄膜，被激發的像元釋放出特定的光信號，然后由光譜儀收集。為避免發射光的角度依賴性，在光譜儀之前使用了一個積分球來收集所有的光譜信息。這種方式在目標和空間信息之間建立了相關性，通過并行的光信息傳輸代替傳統成像系統中的空間掃描過程，實現了全光成像。同時，旋轉PLPA至不同的角度，在不改變目標空間位置的同時可以得到多條光譜信息，將其聯立計算可恢復出更高質量的圖像。
 

　　光計算相較于電子計算具有高速、寬帶寬、高并行性、低損耗和低串擾等明顯的優勢。將光計算應用于成像領域是構建全光網絡必不可少的一部分。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，同時實現了直接的光信號處理，從而減少了成像系統中的時間延遲和能量損失。這一創新增強了光信息處理在實際應用中的潛力，特別是對紫外、X射線等高能射線的成像，使其成為光計算和成像技術不斷發展的前景中的一個有價值的工具，并有可能擴展到其他高能粒子。
 

　　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研發計劃、國家自然科學基金委、山東省泰山學者青年專家項目、山東大學青年交叉科學創新群體等科研項目的資助。