從中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所獲悉，該所科研團隊在國際上首次利用單個器件通過單次測量，對寬帶光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振和強度的高維光場進行了全面表征，從而實現(xiàn)了高維度光場信息探測這一突破性進展。

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

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

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，在波矢空間對偏振和光譜響應(yīng)進行調(diào)控”的創(chuàng)新思想，將高維光場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，最終實現(xiàn)了高維度光信息的探測，且具有與現(xiàn)有先進單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當(dāng)?shù)奶綔y精度。

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

據(jù)了解，這種方法具有超寬帶探測的潛力，所提出的方法可以進一步與圖像處理、測距等功能相集成，以實現(xiàn)更高維度的光場探測。同時，其利用光子晶體、超表面、二維材料等代替薄膜結(jié)構(gòu)可以進一步提高探測分辨率和集成能力。

此外，科研團隊進一步對其中的物理模型與深度學(xué)習(xí)進行有機結(jié)合，以增強解算能力并降低所需先驗數(shù)據(jù)量，也是未來的研究方向。

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

高維光電探測器的原理示意圖

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

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

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

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

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