长春光机所，最新Nature，高维光场探测领域突破性进展

5月15日，中科院长春光机所李炜教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在高维光场探测领域取得突破性进展。相关研究成果以《色散辅助的高维光电探测器》(Dispersion-assisted high-dimensional photodetector)为题，发表在《自然》(Nature)上。

随着信息技术的高速发展，人们对光场感知的需求日益增加。光场包含强度、偏振、频率、相位等多个维度的信息。其中，光谱探测与偏振探测，包含了物体的物质组成和表面形貌等信息，在光通信、遥感、工业检测、医疗诊断、化学分析、环境保护等领域具有巨大应用价值。

传统的光电探测器仅限于测量光强度，现有的偏振和光谱探测器通常通过在时间或空间上集成多个偏振或波长敏感元件来增强探测能力。此外，目前的偏振和光谱探测器通常仅能测量固定波长下的强度和偏振或均匀偏振下的强度和波长信息。然而，在自然界的很多场景中，光场可能在宽光谱范围内携带任意的偏振和强度变化，而现有探测器难以实现对这种高维度信息的探测。

李炜教授团队在国际上首次利用单个器件通过单次测量，对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行了全面表征，实现高维度光场信息探测。该研究提出利用光学界面的空间色散和频率色散特性，在波矢空间对偏振和光谱响应进行调控的创新思想，能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中。配合深度学习方法来解码偏振和光谱信息，最终实现高维度光信息的探测，且具有与现有先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相当的探测精度。此外，通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行“三明治”式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。这一突破性成果为超紧凑、高维度的信息探测和成像探测开辟了一条新途径。

李炜教授介绍说：“这种方法具有超宽带探测的潜力，并且利用这种波矢空间的响应能力，所提出的方法可以进一步与图像处理、测距等功能相集成，以实现更高维度的光场探测。同时，利用光子晶体、超表面、二维材料等代替薄膜结构可以进一步提高探测分辨率和集成能力。此外，进一步对其中的物理模型与深度学习进行有机结合，以增强解算能力并降低所需先验数据量，也是我们未来的研究方向”。

上述成果的第一完成单位为长春光学精密机械与物理研究所。该工作由长春光学精密机械与物理研究所与新加坡国立大学合作完成。

 

(a)现有偏振和光谱探测器的探测能力示意图，(b)探测能力的提升依赖于对时间或空间的复杂集成

 

高维光电探测器的原理示意图

 

高维光电探测器的理论探测能力，(a)全斯托克斯偏振探测，(b)复杂光谱探测，(c)高维光场探测

 

(a)实验光路示意图，(b)所采用的深度残差网络示意图，(c)高维光场探测方法的全斯托克斯偏振探测能力，(d)窄带光谱探测能力，(e)宽带复杂光谱探测能力，(f)光谱分辨能力

 

(a-c)双色双偏振激光场的高维度探测，(d-f)宽带光照射金表面所产生的反射光场的高维度探测，(g)高维光场成像仪的结构示意图及照片，(h)人造目标的偏振和波长成像探测，(i)双色双偏振合成光场的高维度成像探测

文献链接

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