基于色散表面实现高维度光场探测

随着信息技术的高速发展，人们对光场感知的需求日益增加。光场包含强度、偏振、频率、相位等多个维度的信息。其中，光谱探测与偏振探测，包含了物体的物质组成和表面形貌等信息，在光通信、遥感、工业检测、医疗诊断、化学分析、环境保护等领域具有巨大的应用价值。

传统的光电探测器仅限于测量光强度，现有的偏振和光谱探测器（如图1）通常通过在时间或空间上集成多个偏振或波长敏感元件来增强探测能力。此外，目前的偏振和光谱探测器通常仅能测量固定波长下的强度和偏振或均匀偏振下的强度和波长信息。然而，在自然界的很多场景中，光场可能在宽光谱范围内携带任意的偏振和强度变化，而现有探测器难以实现对这种高维度信息的探测。

图1 (a)现有偏振和光谱探测器的探测能力示意图，(b)探测能力的提升依赖于对时间或空间的复杂集成

针对上述问题，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在国际上首次利用单个器件通过单次测量，对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行了全面表征，避免了在时间/空间上的复杂集成的基础上实现了高维度信息探测。该成果以「Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector」为题发表在Nature。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的博士生范延东、黄伟安和朱菲为论文的共同第一作者，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜教授，靳淳淇助理教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。

该团队设计的高维光电探测器原理如图2所示，他们提出利用光学界面的空间色散和频率色散特性，在波矢空间对偏振和光谱响应进行调控的创新思想，仅需单个器件就能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中。配合深度学习方法来解码偏振和光谱信息，最终实现高维度光信息的探测。