近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的李煒團(tuán)隊攜手新加坡國立大學(xué)的合作伙伴，成功研發(fā)出一種創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)了對復(fù)雜自然光場中蘊含的高維度信息的全面捕捉與解析。

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

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

高維光場探測是一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，旨在捕捉并分析光場中的多種維度信息，包括但不限于空間位置、方向、偏振態(tài)、波長（或光譜）、時間和相位等。與傳統(tǒng)光學(xué)成像僅記錄光強信息相比，高維光場探測技術(shù)能夠提供更為豐富和全面的光場描述，這對于諸多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，如精密測量、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)光電探測技術(shù)面臨的局限在于僅能捕捉光的強度信息，而對于光場中豐富的偏振、頻率等多維度信息的探測則力有不逮。這在很大程度上限制了光通信、遙感技術(shù)、工業(yè)檢測、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

面對這一挑戰(zhàn)，李煒團(tuán)隊開創(chuàng)性地提出了一種全新的探測機(jī)制，利用光學(xué)界面獨特的空間色散與頻率色散特性，首次在單次測量中完成了對寬光譜范圍內(nèi)任意偏振與強度變化的高維光場的精確探測與分析。

該技術(shù)的核心創(chuàng)新點在于，通過精心設(shè)計的“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，不僅實現(xiàn)了對光場高維度信息的高效映射與捕捉，而且無需復(fù)雜的對準(zhǔn)步驟，極大簡化了操作流程，提高了集成度。研究團(tuán)隊還引入了深度學(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)前頂尖的單項功能小型偏振儀或光譜儀相比肩。

高維光場探測的技術(shù)亮點

多維信息整合：能夠同時捕獲光的多個維度信息，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。

單次測量高維探測：以往探測高維光場信息可能需要多次獨立測量后綜合分析，而新技術(shù)能通過一次測量完成，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，實現(xiàn)了對光場信息的高效提取和處理。

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

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

這項研究不僅展現(xiàn)了在超寬帶探測方面的巨大潛力，更為未來的光場探測技術(shù)指明了方向。研究團(tuán)隊展望，通過整合圖像處理、測距等更多功能，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)一步提升探測分辨率和集成度。同時，融合物理模型與深度學(xué)習(xí)的策略，將為實現(xiàn)更高維度光場探測提供強有力的技術(shù)支撐，減少對先驗數(shù)據(jù)的依賴。

高維光場探測技術(shù)主要應(yīng)用在下面這些領(lǐng)域：

精密測量與檢測：在材料科學(xué)、半導(dǎo)體檢測等領(lǐng)域，高維光場探測能夠提供更精細(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、高對比度成像，有助于疾病早期診斷和治療評估。

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

量子信息：在量子通信和量子計算中，高維光場作為量子比特載體，能夠提高信息傳輸?shù)陌踩院陀嬎愕膹?fù)雜度。

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

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