近日，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，实现高维度光场信息探测。研究成果于5月15日发表在国际著名期刊Nature。
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。
不仅如此，这种基于光学界面在波矢空间中进行调制的方法所产生的偏振和光谱敏感性可以利用薄膜结构实现一步增强，并且通过在各向异性基底的两侧堆叠多层薄膜结构，还可以在实现宽带光谱探测的同时实现全斯托克斯偏振探测。
基于所设计的多层膜结构，如图3所示，研究团队在理论上验证了所设计高维光电探测器的全斯托克斯偏振探测、宽带复杂光谱探测以及高维光场探测能力。同时，如图4所示，实验测试结果表明，所设计的高维光电探测器具有全斯托克斯偏振探测、窄带光谱探测以及宽带复杂光谱探测能力。同时，其对全斯克斯偏振、窄带光谱、宽带光谱的探测精度以及光谱分辨能力，与现有先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相当。
图3 高维光电探测器的理论探测能力：(a)全斯托克斯偏振探测，(b)复杂光谱探测，(c)高维光场探测
图4 (a)实验光路示意图，(b)所采用的深度残差网络示意图，(c)高维光电探测器的全斯托克斯偏振探测能力，(d)窄带光谱探测能力，(e)宽带复杂光谱探测能力，(f)光谱分辨能力
研究团队选取了双色双偏振激光场以及宽带光照射金表面所产生的反射光场两种高维光场为代表，实验验证了所设计的高维光电探测器利用单次测量对其实现精准探测的能力。同时，通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行「三明治」式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。对空间上包含不同偏振和波长信息的人造目标以及双色双偏振合成光场这类高维光场，也实现了如图5所示的高精度成像。这一突破性成果为超紧凑、高维度的信息探测和成像探测开辟了一条新途径。图5 (a-c)双色双偏振激光场的高维度探测，(d-f)宽带光照射金表面所产生的反射光场的高维度探测，(g)高维光场成像仪的结构示意图及照片，(h)人造目标的偏振和波长成像探测，(i)双色双偏振合成光场的高维度成像探测该研究团队指出，这种方法具有超宽带探测的潜力，并且利用这种波矢空间的响应能力，所提出的方法可以进一步与图像处理、测距等功能相集成，以实现更高维度的光场探测。同时，利用光子晶体、超表面、二维材料等代替薄膜结构可以进一步提高探测分辨率和集成能力。此外，进一步对其中的物理模型与深度学习进行有机结合，以增强解算能力并降低所需先验数据量，也是未来的研究方向。论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w延伸阅读：
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
