題目：Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector
DOI：10.1038/s41586-024-07398-w
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w
5月15日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒教授團隊與新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，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，實現高維度光場信息探測。相關研究成果以Dispersion-assisted high-dimensional photodetector為題，發表在Nature上。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒教授，靳淳淇助理教授和新加坡國立大學仇成偉教授為共同通訊作者，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的博士生范延東、黃偉安和朱菲為論文的共同第一作者。
背景介紹
隨著信息技術的高速發展，人們對光場感知的需求日益增加。光場包含強度、偏振、頻率、相位等多個維度的信息。其中，光譜探測與偏振探測，包含了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巨大的應用價值。在自然界中，光場可能在寬光譜范圍內攜帶任意的偏振和強度變化，而目前的光電探測器通常僅限于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，并且現有的偏振和光譜探測器通常通過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，其探測能力一般與所占用的空間大小或者所消耗的時間長短成正比，很難實現對寬帶光譜上偏振態發生連續變化的高維光場的精準探測。
研究出發點
有鑒于此，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒教授團隊與新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，開創性地提出了利用光學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進行調控的創新思想，僅需單個器件就能夠將高維光場的信息全部映射到單次成像結果之中。配合深度學習的方法來解碼偏振和光譜信息，最終實現高維度光信息的探測。此外，通過簡單的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，還能夠實現無需對準、單次測量的超集成高維光場成像儀。
研究內容
圖1 現有光譜和偏振探測器的探測能力示意圖（a），探測能力與所需時間或空間的關系（b），高維光電探測器的原理示意圖（c），波矢量域中可定制的偏振和頻譜響應（d-f）
在由偏振、波長和強度所組成的三維坐標系中（圖1（a）），目前的光譜和偏振探測器一般會犧牲一個維度的信息來換取另一個維度的信息：通常僅能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。此外，現有光譜和偏振探測器的探測能力如圖1 (b)所示，通常需要在空間或時間上集成多個偏振或波長敏感元件來增強探測能力。
所設計的高維光電探測器原理如圖1（c-f）所示，利用光學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進行調控的創新思想，僅需單個器件就能夠將高維光場的信息全部映射到單次成像結果之中。進一步配合深度學習的方法解碼偏振和光譜信息，最終實現高維度光信息的探測。
圖2 高維光電探測器的設計。各向同性薄膜體系的空間色散和頻率色散響應（a-c），堆疊多層膜結構增強共振的各向異性膜層體系的空間色散和頻率色散響應（d-e）。高維光電探測器的理論探測能力：全斯托克斯偏振探測（g），復雜光譜探測（h），高維光場探測（i）
不僅如此，這種基于光學界面在波矢空間中進行調制的方法所產生的偏振和光譜敏感性可以利用薄膜結構實現一步增強，并且通過在各向異性基底的兩側堆疊多層薄膜結構，還可以在實現寬帶光譜探測的同時實現全斯托克斯偏振探測。在此基礎上，研究團隊在理論上和實驗上驗證了所設計高維光電探測器的全斯托克斯偏振探測、窄帶光譜探測、寬帶復雜光譜探測以及高維光場探測能力。同時，其對全斯托克斯偏振、窄帶光譜、寬帶光譜的探測精度以及光譜分辨能力很高，與現有先進單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當。
圖3 偏振與光譜探測的實驗光路示意圖（a），所采用的深度殘差網絡的示意圖（b），高維光電探測器的全斯托克斯偏振探測能力（c），窄帶光譜探測能力（d），寬帶復雜光譜探測能力（e），光譜分辨能力（f）
圖4 雙色雙偏振激光場的高維度探測（a-c），寬帶光照射金表面所產生的反射光場的高維度探測（d-f），高維光場成像儀的結構示意圖及照片（g），人造目標的偏振和波長成像探測（h），雙色雙偏振合成光場的高維度成像探測（i）
研究團隊選取了雙色雙偏振激光場以及寬帶光照射金表面所產生的反射光場兩種高維光場為代表，實驗證明了所設計高維光電探測器均能利用單次測量實現對高維度光場信息的精準探測。同時，通過簡單的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，還能夠實現無需對準、單次測量的超集成高維光場成像儀。對空間上包含不同偏振和波長信息的人造目標以及雙色雙偏振合成光場這類高維光場，也實現了高精度成像，如圖4所示。
總結與展望
本工作提出了一種基于色散表面的高維光電探測器，能以高分辨率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探測。通過簡單的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，還能夠實現無需對準、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。
這種方法具有超寬帶探測的潛力，并且利用這種波矢空間的響應能力，所提出的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，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，優化深度學習的訓練模型和過程，增強解算能力并降低所需先驗數據量也是未來的研究方向。
