長春光機所等在高維光場探測領(lǐng)域取得重要進展
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】光場，就是指光在每一個方向通過每一個點的光量，也被用來描述通過空間中每一個點和每一個方向的光的量的一個函數(shù)。具體來說，光場是空間中同時包含位置和方向信息的四維光輻射場的參數(shù)化表示，是空間中所有光線光輻射函數(shù)的總體。涵蓋了光線在傳播過程中所有的信息，包括光線強度、位置、方向等。
光場中的光譜探測與偏振探測包含物體的物質(zhì)組成和表面形貌等信息，在光通信、遙感、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷、化學(xué)分析、環(huán)境保護等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)的光電探測器僅限于測量光強度，現(xiàn)有的偏振和光譜探測器通常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。此外，目前的偏振和光譜探測器通常僅能夠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。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度變化，而現(xiàn)有探測器難以實現(xiàn)對這種高維度信息的探測。
中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所李煒團隊與合作者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(nèi)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(xiàn)了高維度光場信息探測。
該研究提出了利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散特性以在波矢空間對偏振和光譜響應(yīng)進行調(diào)控的創(chuàng)新思想，能夠?qū)⒏呔S光場的信息全部映射到單次成像結(jié)果之中。此外，該研究還通過深度學(xué)習(xí)方法來解碼偏振和光譜信息，實現(xiàn)了高維度光信息的探測，具有與現(xiàn)有先進單一功能的小型偏振儀或光譜儀相當?shù)奶綔y精度。
同時，李煒團隊通過簡單地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，實現(xiàn)了無需對準、單次測量的超集成高維光場成像儀。這一成果為超緊湊、高維度的信息探測和成像探測開辟了新途徑，并且有望在未來應(yīng)用于光學(xué)通信、光學(xué)成像、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
研究發(fā)現(xiàn)，這一方法具有超寬帶探測的潛力；利用這種波矢空間的響應(yīng)能力，該方法可以進一步與圖像處理、測距等功能相集成，以實現(xiàn)更高維度的光場探測。同時，研究顯示，利用光子晶體、超表面、二維材料等代替薄膜結(jié)構(gòu)可以進一步提高探測分辨率和集成能力。此外，將其中的物理模型與深度學(xué)習(xí)進行有機結(jié)合，以增強解算能力并降低所需先驗數(shù)據(jù)量，這是未來的研究方向。
相關(guān)研究成果以Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector于近日發(fā)表在《自然》(Nature)上。
參考來源： 中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
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