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研究背景

光作為一種電磁波，其強度、偏振和波長等特性包含了豐富的信息，因此科學家對光場進行全面描述對于光學通信、遙感、醫(yī)學診斷等領域具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的光學探測技術往往只能針對光的某一方面進行測量，難以實現(xiàn)對高維度光場的全面表征。

因此，科學家們開始關注如何同時測量光的強度、偏振和波長等多個維度的信息。這些維度的信息被認為是光場的完整描述，因此能夠在光學通信、醫(yī)學成像等領域中發(fā)揮重要作用。然而，現(xiàn)有的光學探測器往往只能在某些特定條件下測量其中的一部分信息，而無法全面地捕捉光場的多維特性。這導致了在特定應用場景下信息不完整或無法準確解讀的問題。

成果簡介

為了解決這一挑戰(zhàn)，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒研究員，靳淳淇助理研究員和新加坡國立大學仇成偉教授等人在Nature期刊上發(fā)表了題為“Dispersion-assisted high-dimensional photodetector”的最新論文。他們意識到通過利用光學界面的空間色散和頻率色散特性，可以調(diào)控光的偏振和光譜響應，從而將高維度光場的信息全部映射到單次成像結果之中。通過這種方法，他們可以利用單個器件進行單次測量，實現(xiàn)對寬帶光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振和強度的全面表征。

這項研究解決了現(xiàn)有光學探測技術無法全面捕捉光場多維特性的問題。通過將空間色散和頻率色散特性結合起來，科學家們實現(xiàn)了對光場的高維度信息的有效探測。他們利用深度學習方法解碼偏振和光譜信息，從而提高了探測的精度和效率。此外，他們還設計了簡單的裝置結構，使得這項技術可以實現(xiàn)無需對準、單次測量的超集成高維度光場成像，為光學探測和成像技術的發(fā)展開辟了新的途徑。

圖文導讀

圖1展示了現(xiàn)有光檢測方法與研究者提出的高維度光場探測方法之間的對比。在圖1a中，現(xiàn)有的光檢測方法通常只能測量二維切片，即在固定波長上測量強度和極化或在統(tǒng)一極化下測量強度和波長，而不能全面表征光場的高維度信息。相比之下，研究者提出的方法能夠將高維光場的信息全部映射到單次成像結果之中，實現(xiàn)了全面的光場信息探測。圖1b顯示，與現(xiàn)有光電探測器不同，研究者的方法不需要在空間或時間上集成多個敏感元件，而是通過空間色散和頻率色散特性調(diào)控光的極化和光譜響應，實現(xiàn)了單一設備和單次測量下的高維度光場探測。圖1c展示了研究者的光電探測器可以通過單次成像將高維度的極化和光譜信息映射出來，并利用深度學習方法解碼這些信息，實現(xiàn)了高維度光信息的探測。圖1d展示了光通過界面時的傳輸情況，表明研究者的方法可以實現(xiàn)極化的區(qū)分和光譜的重建。總的來說，圖1清晰地展示了研究者提出的高維度光場探測方法的原理和優(yōu)勢，為光學領域的高維度信息探測和成像開辟了新的途徑。

圖1：現(xiàn)有方法與本實驗的高維光電探測器對比。

圖2展示了研究者設計的高維度光場探測器的構建和工作原理。為了解決傳統(tǒng)光學探測器僅限于測量光強度的局限性，研究者采用了一種創(chuàng)新的方法，利用Fabry–Pérot腔來增強光場的極化和光譜差異化。在圖中，a部分展示了通過調(diào)節(jié)TiO2薄膜厚度在給定波長下最大化線性極化差異的過程，并選擇了311nm的厚度以實現(xiàn)最大的傳輸差異。b部分展示了在400-900nm范圍內(nèi)，線性極化差異（|Ts – Tp|）隨著角度θ的變化情況。c部分展示了在給定極化狀態(tài)下，400-900nm范圍內(nèi)的傳輸光譜與角度θ的關系。此外，d部分展示了通過在襯底中引入相位延遲（η）來實現(xiàn)圓偏振（CP）差異化的過程。通過這種方法，研究者實現(xiàn)了高維度光場信息的全面探測，包括光譜和極化狀態(tài)，為光學探測儀器的發(fā)展提供了新的思路。

圖2.高維光電探測器的設計。

而圖3則展示了研究者針對極化和光譜的智能檢測方案。a部分展示了實驗設置，其中通過背焦平面成像實現(xiàn)了對不同極化和光譜狀態(tài)的傳輸映射。b部分展示了修改后的ResNet-18模型的結構，用于解碼傳輸映射中的高維信息。c部分展示了通過實驗和模型重建得到的極化狀態(tài)在Poincaré球上的分布情況，以及與商業(yè)極化計的對比結果。d部分展示了通過智能檢測方法預測的單峰光譜的結果，與商業(yè)光譜儀測量結果進行了對比。e部分展示了對多峰寬帶光譜的智能檢測結果，與商業(yè)光譜儀的測量結果進行了驗證。f部分展示了通過該方法成功分辨出的兩個狹窄波段光譜，證明了其高光譜分辨率。這些結果表明，研究者提出的智能檢測方案能夠在高精度下對光學信息進行檢測和重建，不僅具有與商業(yè)儀器相媲美的性能，還擁有更廣泛的功能和改進空間。

圖3. 極化和光譜的智能檢測。

圖4展示了兩個場景的實驗結果。首先，對于雙色激光場的檢測（圖4a-f），我們的光電探測器能夠準確地重建出高維度光場的極化和光譜特征，而商業(yè)光譜儀和偏振儀無法完成這一任務。其次，對于來自金表面反射的多峰寬帶光的檢測（圖4d-f），我們的光電探測器同樣能夠準確重建出高維度光信號，而商業(yè)設備則無法實現(xiàn)。這種高維度探測技術有望應用于成像領域，為獲取高維度光場的空間分布提供了可能性。圖4g展示了我們設計的超緊湊的高維度空間光譜極化成像儀，該儀器通過利用微透鏡陣列和圖像傳感器陣列實現(xiàn)了高效的高維度光場成像。這種高維度成像技術具有廣泛的應用前景，可用于實現(xiàn)對光場極化和光譜特性的精確探測和成像。

圖4. 高維光電探測器和成像儀。

研究結論

這項研究為光學領域帶來了重要的科學價值，突破了傳統(tǒng)光電探測器的局限性，提出了一種全新的高維度光場探測和成像方法。通過利用光學界面的空間和頻率色散特性，研究團隊成功地實現(xiàn)了對高維度光場的全面表征，包括任意變化的偏振和強度在寬帶光譜范圍內(nèi)的探測。他們的方法不僅在單次測量中獲得了高度準確的極化和光譜信息，而且還實現(xiàn)了緊湊、高效的成像探測，為光學成像和信息處理領域帶來了全新的可能性。

此外，通過利用光學界面的特性，他們實現(xiàn)了在單個器件上同時測量多個維度的光場信息，這為傳統(tǒng)光學成像技術帶來了巨大的改進。

最后，他們的方法具有高度靈活性和可擴展性，可以在不同波長范圍內(nèi)實現(xiàn)高效的光場探測和成像，為光學通信、生物醫(yī)學成像、工業(yè)檢測等領域提供了廣闊的應用前景。最重要的是，這項研究展示了光學非局域特性的巨大潛力，為未來光學材料和器件設計提供了新的思路和方法。

文獻信息

Fan, Y., Huang, W., Zhu, F. et al. Dispersion-assisted high-dimensional photodetector. Nature (2024).

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