長春光機所等在高維光場探測領域取得重要進展
【化工儀器網 項目成果】光場，就是指光在每一個方向通過每一個點的光量，也被用來描述通過空間中每一個點和每一個方向的光的量的一個函數。具體來說，光場是空間中同時包含位置和方向信息的四維光輻射場的參數化表示，是空間中所有光線光輻射函數的總體。涵蓋了光線在傳播過程中所有的信息，包括光線強度、位置、方向等。
光場中的光譜探測與偏振探測包含物體的物質組成和表面形貌等信息，在光通信、遙感、工業檢測、醫療診斷、化學分析、環境保護等領域具有應用價值。然而，傳統的光電探測器僅限于測量光強度，現有的偏振和光譜探測器通常在時間或空間上集成多個偏振或波長敏感元件來增強探測能力。此外，目前的偏振和光譜探測器通常僅能夠測量固定波長下的強度和偏振或均勻偏振下的強度和波長信息。然而，在自然界的很多場景中，光場可能在寬光譜范圍內攜帶任意的偏振和強度變化，而現有探測器難以實現對這種高維度信息的探測。
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒團隊與合作者在國際上首次利用單個器件通過單次測量，對寬帶光譜范圍內具有任意變化的偏振和強度的高維光場進行了全面表征，實現了高維度光場信息探測。
該研究提出了利用光學界面的空間色散和頻率色散特性以在波矢空間對偏振和光譜響應進行調控的創新思想，能夠將高維光場的信息全部映射到單次成像結果之中。此外，該研究還通過深度學習方法來解碼偏振和光譜信息，實現了高維度光信息的探測，具有與現有先進單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當的探測精度。
同時，李煒團隊通過簡單地將薄膜與微透鏡陣列和成像傳感器陣列進行“三明治”式的組合，實現了無需對準、單次測量的超集成高維光場成像儀。這一成果為超緊湊、高維度的信息探測和成像探測開辟了新途徑，并且有望在未來應用于光學通信、光學成像、生物醫學等領域。
研究發現，這一方法具有超寬帶探測的潛力；利用這種波矢空間的響應能力，該方法可以進一步與圖像處理、測距等功能相集成，以實現更高維度的光場探測。同時，研究顯示，利用光子晶體、超表面、二維材料等代替薄膜結構可以進一步提高探測分辨率和集成能力。此外，將其中的物理模型與深度學習進行有機結合，以增強解算能力并降低所需先驗數據量，這是未來的研究方向。
相關研究成果以Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector于近日發表在《自然》(Nature)上。
參考來源： 中科院長春光學精密機械與物理研究所
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