在高維光場探測領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

從中科院長春光機(jī)所獲悉，該所科研團(tuán)隊(duì)在國際上首次利用單個(gè)器件通過單次測量，對寬帶光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振和強(qiáng)度的高維光場進(jìn)行了全面表征，從而實(shí)現(xiàn)了高維度光場信息探測這一突破性進(jìn)展。

光場包含強(qiáng)度、偏振、頻率、相位等多個(gè)維度的信息。其中，光譜探測與偏振探測包含了物體的物質(zhì)組成和表面形貌等信息，在光通信、遙感、工業(yè)檢測等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

目前的偏振和光譜探測器通常僅能測量固定波長下的強(qiáng)度和偏振或均勻偏振下的強(qiáng)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(nèi)攜帶任意的偏振和強(qiáng)度變化，而現(xiàn)有探測器難以實(shí)現(xiàn)對這種高維度信息的探測。

提出的高維度光場探測方法的工作原理示意圖。

研究人員提出了“利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散特性，在波矢空間對偏振和光譜響應(yīng)進(jìn)行調(diào)控”的創(chuàng)新思想，將高維光場的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中。配合深度學(xué)習(xí)方法來解碼偏振和光譜信息，最終實(shí)現(xiàn)了高維度光信息的探測，且具有與現(xiàn)有先進(jìn)單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當(dāng)?shù)奶綔y精度。

此外，他們通過簡單地將薄膜與微透鏡陣列和成像傳感器陣列進(jìn)行“三明治”式的組合，制成了無需對準(zhǔn)、單次測量的超集成高維光場成像儀。這一突破性成果為超緊湊、高維度的信息探測和成像探測開辟了一條新途徑。

據(jù)了解，這種方法具有超寬帶探測的潛力，所提出的方法可以進(jìn)一步與圖像處理、測距等功能相集成，以實(shí)現(xiàn)更高維度的光場探測。同時(shí)，其利用光子晶體、超表面、二維材料等代替薄膜結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高探測分辨率和集成能力。此外，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對其中的物理模型與深度學(xué)習(xí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以增強(qiáng)解算能力并降低所需先驗(yàn)數(shù)據(jù)量，也是未來的研究方向。

相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上，中國科學(xué)院長春光機(jī)所博士生范延?xùn)|、黃偉安和朱菲為論文的共同第一作者，中國科學(xué)院長春光機(jī)所李煒研究員、靳淳淇助理研究員和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為共同通訊作者。

審核編輯 黃宇