导读
近日，南京大学陆延青教授、陈鹏副教授团队基于可重构铁电手性纳米结构，实现了可快速切换的光学空间微分运算。通过改变外加电场极性，该器件能在微秒级时间内于一阶/二阶微分和明场成像之间动态切换。实现了超快、可逆、高稳定的动态光学微分运算，解决了传统光学微分器难以重构、功能静态的难题，推动了光学模拟运算向智能化、实时化发展，为特征提取和图像处理提供了新方案，在实时生物显微成像、自动驾驶及机器视觉等领域展现出重要的应用前景。
研究背景
在大数据时代，对海量信息进行高速、低功耗处理成为人工智能和计算机视觉领域的迫切需求。光学模拟运算凭借其高速和高并行性的天然优势被认为是突破传统电子处理器能耗与速度瓶颈的重要路径，在生物显微成像、工业检测和自动驾驶等领域展现出巨大潜力。然而，传统光学器件受限于庞大体积和固定功能，难以满足日益增长的动态、多功能信息处理需求。近年来，微纳结构与器件为构建智能光学系统带来了新机遇。尽管微纳光子学发展迅速，在单一器件中实现快速可控的光学计算功能，仍是实时先进成像与多功能光信息处理领域的重要挑战。其中，光学空间微分作为提取图像中最显著特征（即边缘信息）的关键运算，已成为实时识别目标物体的重要技术。目前，大多数光学微分器是静态的，一旦制造完成，其功能便固定不变，缺乏应对多任务场景的灵活性与可重构能力。因此，如何实现能够根据任务需求在多种运算模式之间快速切换的光学微分器，是该方向亟待突破的瓶颈。
液晶是一种介于固态晶体和各向同性液体之间的软物质材料，对外界刺激极为敏感，能够产生快速、可逆的分子排列变化，从而实现对光场的动态调控。目前，液晶已从显示领域拓展至结构光调控、光学加密、虚拟/增强现实等前沿应用。其中，铁电液晶是一类具有自发极化的特殊液晶材料，分子在电场作用下会发生微秒级快速重定向。当施加足够强的电场时，铁电液晶中的螺旋结构可被完全抑制（即电致解旋），此时分子的旋转方向由电场极性唯一决定，从而实现对外部刺激的主动、可逆、超快响应。凭借这一优异性能，铁电液晶已被广泛应用于光开关、光栅、透镜等动态光子学器件中，成为构建下一代动态光学计算与光信息处理的重要平台。
创新研究
针对上述难题，研究团队基于电可重构的铁电液晶，提出了一种宽带、超快切换的光学空间微分器。利用指定阶数微分运算与明场成像的频域特征，巧妙设计传递函数，精巧排布等效光轴分布，构筑了空间非均匀变化的铁电手性纳米结构。通过简单地切换外加电场极性，铁电液晶超结构中螺旋结构发生解旋，分子在电场驱动下重取向，等效光轴分布重构，传递函数相应变换，从而主动选择实现空间微分或明场成像（图1）。该器件对光强、相位物体均适用，具有优异的循环可逆性和稳定性。该研究推进了铁电纳米结构的巧妙构筑，为动态、多功能光学信息处理提供了新平台，并在神经形态光子学、生物医学显微镜及人工智能领域展现了应用潜力。
图1基于可重构铁电液晶超结构的快速切换光学微分运算
（1）可重构铁电手性纳米结构
研究团队利用光控图案化取向和非对称表面锚定技术，巧妙构建了一种基于铁电液晶的可重构空间变化分布的手性纳米结构（图2）。依据铁电液晶的光轴重构特性，设计动态传递函数，对应初始等效光轴满足反正弦函数分布，铁电液晶分子在光控取向层的引导下，自组装形成螺旋层状结构。在一定强度的外加电场作用下，螺旋结构解旋，且分子旋转方向由电场极性决定。外加电场极性为正时，等效光轴实现+θ的同步旋转；极性为负时，等效光轴实现-θ的同步旋转，从而实现了光轴方向的主动、动态重分布，对应的传递函数也在微分运算和明场成像中快速切换。
图2可重构铁电液晶超结构
（2）微分运算与明场成像快速切换
基于铁电液晶的电调光轴特性，研究团队分别针对一阶微分和二阶微分设计了特定光轴空间分布，制备了不同的动态微分器（图2）。在+5 V电场下，一阶动态微分器可执行边缘自动识别，描绘目标物体轮廓；在-5 V电场下，可直接呈现目标物体的高质量明场图像（图3a）。二阶动态微分器可实现更精确的边缘定位和更精细的边缘识别。此外，基于铁电液晶的动态微分器也能对相位物体，如生物细胞，进行边缘自动识别和自动定位。以洋葱表皮细胞为例（图3b），二阶动态微分器能够清晰地勾勒出细胞样品的轮廓和边界，实现了高质量的实时边缘提取。接着再切换外加电场极性，能够显示洋葱表皮细胞样品的完整原像。该器件为生物过程的动态可视化分析提供了实用工具。
图3动态切换的一阶/二阶微分与明场成像
（3）超快速响应与优异稳定性
得益于铁电液晶优异的电光特性，该光学微分器模式切换的平均响应时间为62微秒，频率稳定性极佳（图4a-d）。不仅响应速度快，更展现了卓越的循环和长期稳定性。如图4e，在超过180万次的连续电压切换循环测试后，器件性能保持稳定，响应曲线几乎无变化。在存放200天后，该器件依然保持稳定、可逆的重构能力，偏光显微图像显示其内部结构未发生明显变化（图4f）。此外，在一定温度范围和湿度波动下均表现出良好的鲁棒性。这种超长的耐久性和极高的重复性对真实场景的应用至关重要。
图4超快速响应与优异稳定性
总结与展望
该研究提出了一种基于铁电手性纳米结构实现快速可切换光学微分的新策略。采用非对称表面锚定光图案化技术，构筑了电可重构的铁电液晶手性层状结构。通过切换外加电场极性，可针对目标光强/相位物体按需实现一阶/二阶微分或明场成像，具有低至62微秒的超快响应速度。该器件在超过180万次循环和200天使用中展现出卓越的可靠性和可逆性。该研究揭示了铁电纳米材料在实时图像处理和光学模拟计算领域的潜力，展现了在机器视觉、生物显微成像、人工智能等方面的应用前景。
相关研究成果以“Reconfigurable ferroelectric chiral nanostructures enable fast-switchable optical spatial differentiation”为题，发表于Light: Science & Applications。论文通讯作者为南京大学陆延青教授、陈鹏副教授，第一作者为南京大学博士研究生陈闻，南京大学是唯一完成单位。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02363-w
