山东大学孙宝清教授课题组在光谱—空间关联全光成像领域取得新进展
- 2024/11/19 13:21:43 20044
- 来源：山东大学
【仪表网 研发快讯】信息时代的发展伴随着数据量和处理需求的空前激增，将传统的电子计算系统推向了速度和功耗的极限。全光网络在高速、并行的信息处理方面有显著的优势。近年来，光计算的基本组件被广泛研究和制造；然而，全光网络在成像系统中的应用仍然受到限制。近日，信息科学与工程学院、激光与红外系统集成教育部重点实验室教授孙宝清、高原领导的科研团队在材料科学顶级期刊Advanced Functional Materials(IF: 18.5)期刊上发表了题为“All-Optical Imaging Using Perovskite Nanocrystals Based on Spectro-Spatial Correlation”的研究成果，为这一难题提供了可能的全光成像方案。
在成像系统中，全光成像能够提供高的成像速度，低的能耗和高效的并行处理能力，对于实时监控、生物医学成像和安全监测等领域具有重要意义。随着纳米材料的发展和微纳加工工艺的进步，基于纳米晶体材料的高效全光成像成为可能。利用纳米晶体材料的光学特性在宽谱范围可精细调谐特点和波分复用原理，能够将目标的二维图像信息转换为单根光纤内多个波长的一维光信号。这极大地提升了信息的传输容量和效率，加快了成像速度，为更高效的成像系统提供新的解决思路。
在本研究中，研究团队通过原位阴离子交换和喷墨打印工艺制备了具有可调谐光致发光光谱的钙钛矿发光像素阵列(PLPA)，建立了光谱与空间信息的直接关联。这不仅将信息采集的维度从二维简化为一维，而且提高了成像速度和效率。PLPA像元的无序排列显著提高了光谱解混的精度，无需传统焦平面探测器即可实现快速准确的图像恢复。
图1钙钛矿发光像素阵列和光致发光光谱
研究中提出的基于波分复用(WDM)技术的全光成像需要每个空间位置像元处均有一种特征光谱，光谱数量越多意味着可实现的空间分辨率越高。钙钛矿纳米晶具有较窄的半峰宽、高量子产率和可调谐的光致发光光谱，可以将紫外光转换至可见光波段进行成像，在该领域有很高的潜在应用价值。通过点胶工艺可以在玻璃基板上实现钙钛矿材料的原位阴离子交换，简化了材料的制备过程。此外，在钙钛矿中混合聚合物PDMS，隔绝了水分和空气的影响、抑制了离子迁移，其稳定性也得到了一定程度的提高。
图2 光计算成像系统及重构结果
在全光成像过程中，紫外光物体激发PLPA的相应像元。每个像元是不同的钙钛矿-聚合物薄膜，被激发的像元释放出特定的光信号，然后由光谱仪收集。为避免发射光的角度依赖性，在光谱仪之前使用了一个积分球来收集所有的光谱信息。这种方式在目标和空间信息之间建立了相关性，通过并行的光信息传输代替传统成像系统中的空间扫描过程，实现了全光成像。同时，旋转PLPA至不同的角度，在不改变目标空间位置的同时可以得到多条光谱信息，将其联立计算可恢复出更高质量的图像。
光计算相较于电子计算具有高速、宽带宽、高并行性、低损耗和低串扰等明显的优势。将光计算应用于成像领域是构建全光网络必不可少的一部分。研究中提出的这种全光成像方式提供了一种高效快速的图像捕获方式，同时实现了直接的光信号处理，从而减少了成像系统中的时间延迟和能量损失。这一创新增强了光信息处理在实际应用中的潜力，特别是对紫外、X射线等高能射线的成像，使其成为光计算和成像技术不断发展的前景中的一个有价值的工具，并有可能扩展到其他高能粒子。
孙宝清教授、高原教授为通讯作者，2022级硕士研究生王旭红为第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、山东省泰山学者青年专家项目、山东大学青年交叉科学创新群体等科研项目的资助。
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