中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所李煒團隊在高維光場探測領(lǐng)域取得重要進展。5月15日，相關(guān)研究成果以Dispersion-assisted?High-dimensional?Photodetector為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

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、醫(yī)療診斷、化學(xué)分析、環(huán)境保護等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)的光電探測器僅限于測量光強度，現(xiàn)有的偏振和光譜探測器通常在時間或空間上集成多個偏振或波長敏感元件來增強探測能力。此外，目前的偏振和光譜探測器通常僅能夠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。

針對這一問題，李煒團隊與合作者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，實現(xiàn)了高維度光場信息探測。

該研究提出了利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散特性以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，能夠?qū)⒏呔S光場的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中。研究配合深度學(xué)習(xí)方法來解碼偏振和光譜信息，實現(xiàn)了高維度光信息的探測，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，研究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，能夠?qū)崿F(xiàn)無需對準(zhǔn)、單次測量的超集成高維光場成像儀。這一成果為超緊湊、高維度的信息探測和成像探測開辟了新途徑。

研究發(fā)現(xiàn)，這一方法具有超寬帶探測的潛力；利用這種波矢空間的響應(yīng)能力，該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，研究顯示，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，將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，這是未來的研究方向。

該工作由長春光機所和新加坡國立大學(xué)合作完成。長春光機所為第一完成單位。

論文鏈接

高維度光場探測方法工作原理示意圖

高維光場探測及成像的實驗驗證。（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。