近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的李煒團(tuán)隊(duì)攜手新加坡國(guó)立大學(xué)的合作伙伴，成功研發(fā)出一種創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜自然光場(chǎng)中蘊(yùn)含的高維度信息的全面捕捉與解析。

這項(xiàng)成果于5月15日在世界頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》上以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”為題發(fā)表，標(biāo)志著中國(guó)在光電子技術(shù)領(lǐng)域邁出了引領(lǐng)性的一步。

高維光場(chǎng)探測(cè)及成像的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（a-c）雙色雙偏振激光場(chǎng)的高維度探測(cè)，（d-f）寬帶光照射金表面所產(chǎn)生的反射光場(chǎng)的高維度探測(cè)，（g）高維光場(chǎng)成像儀的結(jié)構(gòu)示意圖及照片，（h）人造目標(biāo)的偏振和波長(zhǎng)成像探測(cè)，（i）雙色雙偏振合成光場(chǎng)的高維度成像探測(cè)。

高維光場(chǎng)探測(cè)是一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，旨在捕捉并分析光場(chǎng)中的多種維度信息，包括但不限于空間位置、方向、偏振態(tài)、波長(zhǎng)（或光譜）、時(shí)間和相位等。與傳統(tǒng)光學(xué)成像僅記錄光強(qiáng)信息相比，高維光場(chǎng)探測(cè)技術(shù)能夠提供更為豐富和全面的光場(chǎng)描述，這對(duì)于諸多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，如精密測(cè)量、遙感成像、生物醫(yī)學(xué)成像、量子信息處理和光學(xué)通信等。

傳統(tǒng)光電探測(cè)技術(shù)面臨的局限在于僅能捕捉光的強(qiáng)度信息，而對(duì)于光場(chǎng)中豐富的偏振、頻率等多維度信息的探測(cè)則力有不逮。這在很大程度上限制了光通信、遙感技術(shù)、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，李煒團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種全新的探測(cè)機(jī)制，利用光學(xué)界面獨(dú)特的空間色散與頻率色散特性，首次在單次測(cè)量中完成了對(duì)寬光譜范圍內(nèi)任意偏振與強(qiáng)度變化的高維光場(chǎng)的精確探測(cè)與分析。

該技術(shù)的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的“三明治”式結(jié)構(gòu)——即薄膜、微透鏡陣列與成像傳感器陣列的巧妙結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)高維度信息的高效映射與捕捉，而且無(wú)需復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)步驟，極大簡(jiǎn)化了操作流程，提高了集成度。研究團(tuán)隊(duì)還引入了深度學(xué)習(xí)算法，進(jìn)一步優(yōu)化了偏振與光譜信息的解碼精度，與當(dāng)前頂尖的單項(xiàng)功能小型偏振儀或光譜儀相比肩。

高維光場(chǎng)探測(cè)的技術(shù)亮點(diǎn)

多維信息整合：能夠同時(shí)捕獲光的多個(gè)維度信息，比如空間坐標(biāo)、偏振狀態(tài)和光譜成分，這些信息在傳統(tǒng)的二維圖像中通常是丟失的。

單次測(cè)量高維探測(cè)：以往探測(cè)高維光場(chǎng)信息可能需要多次獨(dú)立測(cè)量后綜合分析，而新技術(shù)能通過(guò)一次測(cè)量完成，提高了數(shù)據(jù)獲取速度和效率。

光學(xué)界面的創(chuàng)新使用：通過(guò)控制光在特定光學(xué)界面上的傳播行為，如利用空間色散和頻率色散特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)信息的高效提取和處理。

集成多功能：提出的探測(cè)方法可以與圖像處理、測(cè)距等其他功能相結(jié)合，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍和能力。

超寬帶探測(cè)：具有探測(cè)寬頻譜光的能力，對(duì)于復(fù)雜的光信號(hào)分析尤為重要，例如在太赫茲成像、激光雷達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

這項(xiàng)研究不僅展現(xiàn)了在超寬帶探測(cè)方面的巨大潛力，更為未來(lái)的光場(chǎng)探測(cè)技術(shù)指明了方向。研究團(tuán)隊(duì)展望，通過(guò)整合圖像處理、測(cè)距等更多功能，以及探索光子晶體、超表面、二維材料等新材料的應(yīng)用，有望進(jìn)一步提升探測(cè)分辨率和集成度。同時(shí)，融合物理模型與深度學(xué)習(xí)的策略，將為實(shí)現(xiàn)更高維度光場(chǎng)探測(cè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，減少對(duì)先驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴。

高維光場(chǎng)探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在下面這些領(lǐng)域：

精密測(cè)量與檢測(cè)：在材料科學(xué)、半導(dǎo)體檢測(cè)等領(lǐng)域，高維光場(chǎng)探測(cè)能夠提供更精細(xì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)信息。

生物醫(yī)學(xué)成像：能夠深入組織內(nèi)部進(jìn)行高分辨率、高對(duì)比度成像，有助于疾病早期診斷和治療評(píng)估。

遙感與環(huán)境監(jiān)測(cè)：通過(guò)分析大氣或水體中的光場(chǎng)信息，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)環(huán)境污染、氣候變化等。

量子信息：在量子通信和量子計(jì)算中，高維光場(chǎng)作為量子比特載體，能夠提高信息傳輸?shù)陌踩院陀?jì)算的復(fù)雜度。

光學(xué)通信：提升通信系統(tǒng)的容量和安全性，利用光的多個(gè)自由度進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和解碼。

作為中國(guó)科研創(chuàng)新的又一里程碑，高維光場(chǎng)探測(cè)成果的成功發(fā)布，不僅彰顯了中國(guó)在光學(xué)精密機(jī)械與物理研究領(lǐng)域的深厚底蘊(yùn)，也為全球光電子技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，開(kāi)啟了超緊湊、高維度信息探測(cè)與成像的新紀(jì)元。