中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所李煒團(tuán)隊(duì)在高維光場探測領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(qiáng)度、偏振、頻率、相位等多個(gè)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(hù)等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)的光電探測器僅限于測量光強(qiáng)度，現(xiàn)有的偏振和光譜探測器通常在時(shí)間或空間上集成多個(gè)偏振或波長敏感元件來增強(qiáng)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(qiáng)度和偏振或均勻偏振下的強(qiáng)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(qiáng)度變化，而現(xiàn)有探測器難以實(shí)現(xiàn)對這種高維度信息的探測。

針對這一問題，李煒團(tuán)隊(duì)與合作者在國際上首次利用單個(gè)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(qiáng)度的高維光場進(jìn)行了全面表征，實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了高維度光信息的探測，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(jìn)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(jìn)一步與圖像處理、測距等功能相集成，以實(shí)現(xiàn)更高維度的光場探測。同時(shí)，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(jìn)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(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，這是未來的研究方向。

該工作由長春光機(jī)所和新加坡國立大學(xué)合作完成。長春光機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。