從中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲悉，該所科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次利用單個(gè)器件通過單次測(cè)量，對(duì)寬帶光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振和強(qiáng)度的高維光場(chǎng)進(jìn)行了全面表征，從而實(shí)現(xiàn)了高維度光場(chǎng)信息探測(cè)這一突破性進(jìn)展。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)光場(chǎng)感知的需求日益增加。光場(chǎng)包含強(qiáng)度、偏振、頻率、相位等多個(gè)維度的信息。其中，光譜探測(cè)與偏振探測(cè)包含了物體的物質(zhì)組成和表面形貌等信息，在光通信、遙感、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

目前的偏振和光譜探測(cè)器通常僅能測(cè)量固定波長(zhǎng)下的強(qiáng)度和偏振或均勻偏振下的強(qiáng)度和波長(zhǎng)信息。然而，在自然界的很多場(chǎng)景中，光場(chǎng)可能在寬光譜范圍內(nèi)攜帶任意的偏振和強(qiáng)度變化，而現(xiàn)有探測(cè)器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種高維度信息的探測(cè)。

研究人員提出了“利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散特性，在波矢空間對(duì)偏振和光譜響應(yīng)進(jìn)行調(diào)控”的創(chuàng)新思想，將高維光場(chǎng)的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中。配合深度學(xué)習(xí)方法來解碼偏振和光譜信息，最終實(shí)現(xiàn)了高維度光信息的探測(cè)，且具有與現(xiàn)有先進(jìn)單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當(dāng)?shù)奶綔y(cè)精度。

此外，他們通過簡(jiǎn)單地將薄膜與微透鏡陣列和成像傳感器陣列進(jìn)行“三明治”式的組合，制成了無需對(duì)準(zhǔn)、單次測(cè)量的超集成高維光場(chǎng)成像儀。這一突破性成果為超緊湊、高維度的信息探測(cè)和成像探測(cè)開辟了一條新途徑。

據(jù)了解，這種方法具有超寬帶探測(cè)的潛力，所提出的方法可以進(jìn)一步與圖像處理、測(cè)距等功能相集成，以實(shí)現(xiàn)更高維度的光場(chǎng)探測(cè)。同時(shí)，其利用光子晶體、超表面、二維材料等代替薄膜結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高探測(cè)分辨率和集成能力。

此外，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)其中的物理模型與深度學(xué)習(xí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以增強(qiáng)解算能力并降低所需先驗(yàn)數(shù)據(jù)量，也是未來的研究方向。

(a)現(xiàn)有偏振和光譜探測(cè)器的探測(cè)能力示意圖，(b)探測(cè)能力的提升依賴于對(duì)時(shí)間或空間的復(fù)雜集成

高維光電探測(cè)器的原理示意圖

高維光電探測(cè)器的理論探測(cè)能力，(a)全斯托克斯偏振探測(cè)，(b)復(fù)雜光譜探測(cè)，(c)高維光場(chǎng)探測(cè)

(a)實(shí)驗(yàn)光路示意圖，(b)所采用的深度殘差網(wǎng)絡(luò)示意圖，(c)高維光場(chǎng)探測(cè)方法的全斯托克斯偏振探測(cè)能力，(d)窄帶光譜探測(cè)能力，(e)寬帶復(fù)雜光譜探測(cè)能力，(f)光譜分辨能力

(a-c)雙色雙偏振激光場(chǎng)的高維度探測(cè)，(d-f)寬帶光照射金表面所產(chǎn)生的反射光場(chǎng)的高維度探測(cè)，(g)高維光場(chǎng)成像儀的結(jié)構(gòu)示意圖及照片，(h)人造目標(biāo)的偏振和波長(zhǎng)成像探測(cè)，(i)雙色雙偏振合成光場(chǎng)的高維度成像探測(cè)

相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士生范延?xùn)|、黃偉安和朱菲為論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所李煒研究員、靳淳淇助理研究員和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授為共同通訊作者。

文獻(xiàn)鏈接：Fan, Y., Huang, W., Zhu, F. et al. Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector. Nature(2024).https://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w