中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(chǎng)探測(cè)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(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)、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(cè)器僅限于測(cè)量光強(qiáng)度，現(xiàn)有的偏振和光譜探測(cè)器通常在時(shí)間或空間上集成多個(gè)偏振或波長(zhǎng)敏感元件來增強(qiáng)探測(cè)能力。此外，目前的偏振和光譜探測(cè)器通常僅能夠測(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)。

針對(duì)這一問題，李煒團(tuán)隊(duì)與合作者在國(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，實(shí)現(xiàn)了高維度光場(chǎng)信息探測(cè)。

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(duì)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(chǎng)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(cè)，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，研究通過簡(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，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需對(duì)準(zhǔn)、單次測(cè)量的超集成高維光場(chǎng)成像儀。這一成果為超緊湊、高維度的信息探測(cè)和成像探測(cè)開辟了新途徑。

研究發(fā)現(xiàn)，這一方法具有超寬帶探測(cè)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(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)，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(cè)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(zhǎng)春光機(jī)所和新加坡國(guó)立大學(xué)合作完成。長(zhǎng)春光機(jī)所為第一完成單位。

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高維度光場(chǎng)探測(cè)方法工作原理示意圖

高維光場(chǎng)探測(cè)及成像的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（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)。