5月15日，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李煒教授團(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)合作，在高維光場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《色散輔助的高維光電探測(cè)器》(Dispersion-assisted high-dimensional photodetector)為題，發(fā)表在《自然》(Nature)上。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)光場(chǎng)感知的需求日益增加。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(cè)、醫(yī)療診斷、化學(xué)分析、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用價(jià)值。

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)器通常通過(guò)在時(shí)間或空間上集成多個(gè)偏振或波長(zhǎng)敏感元件來(lái)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)。

李煒教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次利用單個(gè)器件通過(guò)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)高維度光場(chǎng)信息探測(cè)。該研究提出利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散特性，在波矢空間對(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。配合深度學(xué)習(xí)方法來(lái)解碼偏振和光譜信息，最終實(shí)現(xiàn)高維度光信息的探測(cè)，且具有與現(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，通過(guò)簡(jiǎn)單的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，還能夠?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。這一突破性成果為超緊湊、高維度的信息探測(cè)和成像探測(cè)開(kāi)辟了一條新途徑。

李煒教授介紹說(shuō)：“這種方法具有超寬帶探測(cè)的潛力，并且利用這種波矢空間的響應(yīng)能力，所提出的方法可以進(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)，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，進(jìn)一步對(duì)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，也是我們未來(lái)的研究方向”。

上述成果的第一完成單位為長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所。該工作由長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所與新加坡國(guó)立大學(xué)合作完成。

 

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

 

高維光電探測(cè)器的原理示意圖

 

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

 

(a)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)探測(cè)方法的全斯托克斯偏振探測(cè)能力，(d)窄帶光譜探測(cè)能力，(e)寬帶復(fù)雜光譜探測(cè)能力，(f)光譜分辨能力

 

(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)

文獻(xiàn)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