用“傅里叶像素”实现光线双向调控

当前数码相机和显示屏使用的传统像素（pixel）功能单一：仅能检测或发射光的亮度（强度），无法获取或调控光所携带的全部信息——包括光波的振幅、相位和偏振态。这严重限制了光学系统在复杂光场调控、实时反馈与双向交互方面的能力。本文突破性地提出并实现了‘傅里叶像素’（Fourier pixel）这一全新概念。其核心思路是将经典傅里叶光学原理微型化、集成化：不再依赖笨重的透镜与分光元件，而是利用金属表面传播的相干、高效‘表面等离激元波’（SPP）作为片上导波，并通过精密设计的、具有连续起伏轮廓（非传统离散纳米天线）的微型衍射结构（即‘傅里叶元件’）来操控这些导波。当SPP波经过该元件时，可被精确‘转换’为任意设计的自由空间光波前（如涡旋光束、聚焦光斑、矢量光束等），实现高保真、低背景的光场生成；反之，当外界光照射到该像素时，它又能反向工作，通过分析SPP波的响应，完整、同步地测量入射光的振幅、相位和偏振态（即全斯托克斯参量）。研究者进一步将多个功能单元集成于同一微小区域，构建出紧凑的‘多功能傅里叶像素’，既能同时生成多种复杂光场，也能一次性完成对整个光场的全参数感知。该技术无需复杂的电磁仿真，设计简洁直观（基于傅里叶分析），制造精度可达几纳米，且具备良好的可扩展性。其应用前景广阔，涵盖自适应光学（实时矫正像差）、全息3D显示（动态、彩色、宽视角）、高速光通信（高维复用）、以及量子信息处理（光子态精密操控）等领域。