研究背景

光作为一种电磁波，其强度、偏振和波长等特性包含了丰富的信息，因此科学家对光场进行全面描述对于光学通信、遥感、医学诊断等领域具有重要意义。然而，传统的光学探测技术往往只能针对光的某一方面进行测量，难以实现对高维度光场的全面表征。

因此，科学家们开始关注如何同时测量光的强度、偏振和波长等多个维度的信息。这些维度的信息被认为是光场的完整描述，因此能够在光学通信、医学成像等领域中发挥重要作用。然而，现有的光学探测器往往只能在某些特定条件下测量其中的一部分信息，而无法全面地捕捉光场的多维特性。这导致了在特定应用场景下信息不完整或无法准确解读的问题。

成果简介

为了解决这一挑战，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜研究员，靳淳淇助理研究员和新加坡国立大学仇成伟教授等人在Nature期刊上发表了题为“Dispersion-assisted high-dimensional photodetector”的最新论文。他们意识到通过利用光学界面的空间色散和频率色散特性，可以调控光的偏振和光谱响应，从而将高维度光场的信息全部映射到单次成像结果之中。通过这种方法，他们可以利用单个器件进行单次测量，实现对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的全面表征。

这项研究解决了现有光学探测技术无法全面捕捉光场多维特性的问题。通过将空间色散和频率色散特性结合起来，科学家们实现了对光场的高维度信息的有效探测。他们利用深度学习方法解码偏振和光谱信息，从而提高了探测的精度和效率。此外，他们还设计了简单的装置结构，使得这项技术可以实现无需对准、单次测量的超集成高维度光场成像，为光学探测和成像技术的发展开辟了新的途径。

图文导读

图1展示了现有光检测方法与研究者提出的高维度光场探测方法之间的对比。在图1a中，现有的光检测方法通常只能测量二维切片，即在固定波长上测量强度和极化或在统一极化下测量强度和波长，而不能全面表征光场的高维度信息。相比之下，研究者提出的方法能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中，实现了全面的光场信息探测。图1b显示，与现有光电探测器不同，研究者的方法不需要在空间或时间上集成多个敏感元件，而是通过空间色散和频率色散特性调控光的极化和光谱响应，实现了单一设备和单次测量下的高维度光场探测。图1c展示了研究者的光电探测器可以通过单次成像将高维度的极化和光谱信息映射出来，并利用深度学习方法解码这些信息，实现了高维度光信息的探测。图1d展示了光通过界面时的传输情况，表明研究者的方法可以实现极化的区分和光谱的重建。总的来说，图1清晰地展示了研究者提出的高维度光场探测方法的原理和优势，为光学领域的高维度信息探测和成像开辟了新的途径。

图2展示了研究者设计的高维度光场探测器的构建和工作原理。为了解决传统光学探测器仅限于测量光强度的局限性，研究者采用了一种创新的方法，利用Fabry–Pérot腔来增强光场的极化和光谱差异化。在图中，a部分展示了通过调节TiO2薄膜厚度在给定波长下最大化线性极化差异的过程，并选择了311nm的厚度以实现最大的传输差异。b部分展示了在400-900nm范围内，线性极化差异（|Ts - Tp|）随着角度θ的变化情况。c部分展示了在给定极化状态下，400-900nm范围内的传输光谱与角度θ的关系。此外，d部分展示了通过在衬底中引入相位延迟（η）来实现圆偏振（CP）差异化的过程。通过这种方法，研究者实现了高维度光场信息的全面探测，包括光谱和极化状态，为光学探测仪器的发展提供了新的思路。

而图3则展示了研究者针对极化和光谱的智能检测方案。a部分展示了实验设置，其中通过背焦平面成像实现了对不同极化和光谱状态的传输映射。b部分展示了修改后的ResNet-18模型的结构，用于解码传输映射中的高维信息。c部分展示了通过实验和模型重建得到的极化状态在Poincaré球上的分布情况，以及与商业极化计的对比结果。d部分展示了通过智能检测方法预测的单峰光谱的结果，与商业光谱仪测量结果进行了对比。e部分展示了对多峰宽带光谱的智能检测结果，与商业光谱仪的测量结果进行了验证。f部分展示了通过该方法成功分辨出的两个狭窄波段光谱，证明了其高光谱分辨率。这些结果表明，研究者提出的智能检测方案能够在高精度下对光学信息进行检测和重建，不仅具有与商业仪器相媲美的性能，还拥有更广泛的功能和改进空间。

图4展示了两个场景的实验结果。首先，对于双色激光场的检测（图4a-f），我们的光电探测器能够准确地重建出高维度光场的极化和光谱特征，而商业光谱仪和偏振仪无法完成这一任务。其次，对于来自金表面反射的多峰宽带光的检测（图4d-f），我们的光电探测器同样能够准确重建出高维度光信号，而商业设备则无法实现。这种高维度探测技术有望应用于成像领域，为获取高维度光场的空间分布提供了可能性。图4g展示了我们设计的超紧凑的高维度空间光谱极化成像仪，该仪器通过利用微透镜阵列和图像传感器阵列实现了高效的高维度光场成像。这种高维度成像技术具有广泛的应用前景，可用于实现对光场极化和光谱特性的精确探测和成像。

图4. 高维光电探测器和成像仪。

研究结论

这项研究为光学领域带来了重要的科学价值，突破了传统光电探测器的局限性，提出了一种全新的高维度光场探测和成像方法。通过利用光学界面的空间和频率色散特性，研究团队成功地实现了对高维度光场的全面表征，包括任意变化的偏振和强度在宽带光谱范围内的探测。他们的方法不仅在单次测量中获得了高度准确的极化和光谱信息，而且还实现了紧凑、高效的成像探测，为光学成像和信息处理领域带来了全新的可能性。

此外，通过利用光学界面的特性，他们实现了在单个器件上同时测量多个维度的光场信息，这为传统光学成像技术带来了巨大的改进。

最后，他们的方法具有高度灵活性和可扩展性，可以在不同波长范围内实现高效的光场探测和成像，为光学通信、生物医学成像、工业检测等领域提供了广阔的应用前景。最重要的是，这项研究展示了光学非局域特性的巨大潜力，为未来光学材料和器件设计提供了新的思路和方法。

文献信息

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