Broadband and parallel multiple-order optical spatial differentiation enabled by Bessel vortex modulated metalens

宽带 贝塞尔函数 旋涡 涡流 订单(交换) 光学 物理 电信 计算机科学 财务 热力学 经济
作者
Pengcheng Huo,Le Tan,Yaqi Jin,Yanzeng Zhang,Mingze Liu,Peicheng Lin,Song Zhang,Yilin Wang,Haiyang Ren,Yanqing Lu,Ting Xu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53463-3
摘要

Optical analog image processing technology is expected to provide an effective solution for high-throughput and real-time data processing with low power consumption. In various operations, optical spatial differential operations are essential in edge extraction, data compression, and feature classification. Unfortunately, existing methods can only perform low-order or selectively perform a particular high-order differential operation. Here, we propose and experimentally demonstrate a Bessel vortex modulated metalens composed of a single complex amplitude metasurface, which can perform multiple-order radial differential operations over a wide band by presetting the order of the corresponding Bessel vortex. This architecture further enables angle multiplexing to create multiple information channels that synchronously perform multi-order spatial differential operations, indicating the superiority of the proposed devices in parallel processing. Our approach may find various applications in artificial intelligence, machine vision, autonomous driving, and advanced biomedical imaging. A Bessel vortex modulated metalens is used for wide-band, multiple-order radial differential operations by presetting the order of the corresponding Bessel vortex. This enables synchronous spatial differential operations, with applications in optical data processing, machine vision and bio-imaging.
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