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研究背景

光作為一種電磁波，其強(qiáng)度、偏振和波長(zhǎng)等特性包含了豐富的信息，因此科學(xué)家對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行全面描述對(duì)于光學(xué)通信、遙感、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)探測(cè)技術(shù)往往只能針對(duì)光的某一方面進(jìn)行測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高維度光場(chǎng)的全面表征。

因此，科學(xué)家們開始關(guān)注如何同時(shí)測(cè)量光的強(qiáng)度、偏振和波長(zhǎng)等多個(gè)維度的信息。這些維度的信息被認(rèn)為是光場(chǎng)的完整描述，因此能夠在光學(xué)通信、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。然而，現(xiàn)有的光學(xué)探測(cè)器往往只能在某些特定條件下測(cè)量其中的一部分信息，而無(wú)法全面地捕捉光場(chǎng)的多維特性。這導(dǎo)致了在特定應(yīng)用場(chǎng)景下信息不完整或無(wú)法準(zhǔn)確解讀的問(wèn)題。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一挑戰(zhàn)，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研究員，靳淳淇助理研究員和新加坡國(guó)立大學(xué)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(shí)到通過(guò)利用光學(xué)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(yīng)，從而將高維度光場(chǎng)的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中。通過(guò)這種方法，他們可以利用單個(gè)器件進(jìn)行單次測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振和強(qiáng)度的全面表征。

這項(xiàng)研究解決了現(xiàn)有光學(xué)探測(cè)技術(shù)無(wú)法全面捕捉光場(chǎng)多維特性的問(wèn)題。通過(guò)將空間色散和頻率色散特性結(jié)合起來(lái)，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)的高維度信息的有效探測(cè)。他們利用深度學(xué)習(xí)方法解碼偏振和光譜信息，從而提高了探測(cè)的精度和效率。此外，他們還設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的裝置結(jié)構(gòu)，使得這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需對(duì)準(zhǔn)、單次測(cè)量的超集成高維度光場(chǎng)成像，為光學(xué)探測(cè)和成像技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。

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圖文導(dǎo)讀

圖1展示了現(xiàn)有光檢測(cè)方法與研究者提出的高維度光場(chǎng)探測(cè)方法之間的對(duì)比。在圖1a中，現(xiàn)有的光檢測(cè)方法通常只能測(cè)量二維切片，即在固定波長(zhǎng)上測(cè)量強(qiáng)度和極化或在統(tǒng)一極化下測(cè)量強(qiáng)度和波長(zhǎng)，而不能全面表征光場(chǎng)的高維度信息。相比之下，研究者提出的方法能夠?qū)⒏呔S光場(chǎng)的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中，實(shí)現(xiàn)了全面的光場(chǎng)信息探測(cè)。圖1b顯示，與現(xiàn)有光電探測(cè)器不同，研究者的方法不需要在空間或時(shí)間上集成多個(gè)敏感元件，而是通過(guò)空間色散和頻率色散特性調(diào)控光的極化和光譜響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單一設(shè)備和單次測(cè)量下的高維度光場(chǎng)探測(cè)。圖1c展示了研究者的光電探測(cè)器可以通過(guò)單次成像將高維度的極化和光譜信息映射出來(lái)，并利用深度學(xué)習(xí)方法解碼這些信息，實(shí)現(xiàn)了高維度光信息的探測(cè)。圖1d展示了光通過(guò)界面時(shí)的傳輸情況，表明研究者的方法可以實(shí)現(xiàn)極化的區(qū)分和光譜的重建?？偟膩?lái)說(shuō)，圖1清晰地展示了研究者提出的高維度光場(chǎng)探測(cè)方法的原理和優(yōu)勢(shì)，為光學(xué)領(lǐng)域的高維度信息探測(cè)和成像開辟了新的途徑。

圖1：現(xiàn)有方法與本實(shí)驗(yàn)的高維光電探測(cè)器對(duì)比。

圖2展示了研究者設(shè)計(jì)的高維度光場(chǎng)探測(cè)器的構(gòu)建和工作原理。為了解決傳統(tǒng)光學(xué)探測(cè)器僅限于測(cè)量光強(qiáng)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(lái)增強(qiáng)光場(chǎng)的極化和光譜差異化。在圖中，a部分展示了通過(guò)調(diào)節(jié)TiO2薄膜厚度在給定波長(zhǎng)下最大化線性極化差異的過(guò)程，并選擇了311nm的厚度以實(shí)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(guān)系。此外，d部分展示了通過(guò)在襯底中引入相位延遲（η）來(lái)實(shí)現(xiàn)圓偏振（CP）差異化的過(guò)程。通過(guò)這種方法，研究者實(shí)現(xiàn)了高維度光場(chǎng)信息的全面探測(cè)，包括光譜和極化狀態(tài)，為光學(xué)探測(cè)儀器的發(fā)展提供了新的思路。

圖2.高維光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)。

而圖3則展示了研究者針對(duì)極化和光譜的智能檢測(cè)方案。a部分展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，其中通過(guò)背焦平面成像實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jié)構(gòu)，用于解碼傳輸映射中的高維信息。c部分展示了通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jì)的對(duì)比結(jié)果。d部分展示了通過(guò)智能檢測(cè)方法預(yù)測(cè)的單峰光譜的結(jié)果，與商業(yè)光譜儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。e部分展示了對(duì)多峰寬帶光譜的智能檢測(cè)結(jié)果，與商業(yè)光譜儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。f部分展示了通過(guò)該方法成功分辨出的兩個(gè)狹窄波段光譜，證明了其高光譜分辨率。這些結(jié)果表明，研究者提出的智能檢測(cè)方案能夠在高精度下對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行檢測(cè)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(jìn)空間。

圖3. 極化和光譜的智能檢測(cè)。

圖4展示了兩個(gè)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先，對(duì)于雙色激光場(chǎng)的檢測(cè)（圖4a-f），我們的光電探測(cè)器能夠準(zhǔn)確地重建出高維度光場(chǎng)的極化和光譜特征，而商業(yè)光譜儀和偏振儀無(wú)法完成這一任務(wù)。其次，對(duì)于來(lái)自金表面反射的多峰寬帶光的檢測(cè)（圖4d-f），我們的光電探測(cè)器同樣能夠準(zhǔn)確重建出高維度光信號(hào)，而商業(yè)設(shè)備則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這種高維度探測(cè)技術(shù)有望應(yīng)用于成像領(lǐng)域，為獲取高維度光場(chǎng)的空間分布提供了可能性。圖4g展示了我們?cè)O(shè)計(jì)的超緊湊的高維度空間光譜極化成像儀，該儀器通過(guò)利用微透鏡陣列和圖像傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了高效的高維度光場(chǎng)成像。這種高維度成像技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)極化和光譜特性的精確探測(cè)和成像。

圖4. 高維光電探測(cè)器和成像儀。

研究結(jié)論

這項(xiàng)研究為光學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了重要的科學(xué)價(jià)值，突破了傳統(tǒng)光電探測(cè)器的局限性，提出了一種全新的高維度光場(chǎng)探測(cè)和成像方法。通過(guò)利用光學(xué)界面的空間和頻率色散特性，研究團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)高維度光場(chǎng)的全面表征，包括任意變化的偏振和強(qiáng)度在寬帶光譜范圍內(nèi)的探測(cè)。他們的方法不僅在單次測(cè)量中獲得了高度準(zhǔn)確的極化和光譜信息，而且還實(shí)現(xiàn)了緊湊、高效的成像探測(cè)，為光學(xué)成像和信息處理領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能性。

此外，通過(guò)利用光學(xué)界面的特性，他們實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)器件上同時(shí)測(cè)量多個(gè)維度的光場(chǎng)信息，這為傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)帶來(lái)了巨大的改進(jìn)。

最后，他們的方法具有高度靈活性和可擴(kuò)展性，可以在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的光場(chǎng)探測(cè)和成像，為光學(xué)通信、生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用前景。最重要的是，這項(xiàng)研究展示了光學(xué)非局域特性的巨大潛力，為未來(lái)光學(xué)材料和器件設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。

文獻(xiàn)信息

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

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