题目：Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector

DOI：10.1038/s41586-024-07398-w

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w

5月15日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在国际上首次利用单个器件通过单次测量，对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行了全面表征，实现高维度光场信息探测。相关研究成果以Dispersion-assisted high-dimensional photodetector为题，发表在Nature上。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜教授，靳淳淇助理教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的博士生范延东、黄伟安和朱菲为论文的共同第一作者。

背景介绍

随着信息技术的高速发展，人们对光场感知的需求日益增加。光场包含强度、偏振、频率、相位等多个维度的信息。其中，光谱探测与偏振探测，包含了物体的物质组成和表面形貌等信息，在光通信、遥感、工业检测、医疗诊断、化学分析、环境保护等领域具有巨大的应用价值。在自然界中，光场可能在宽光谱范围内携带任意的偏振和强度变化，而目前的光电探测器通常仅限于测量固定波长下的强度和偏振或均匀偏振下的强度和波长信息，并且现有的偏振和光谱探测器通常通过在时间或空间上集成多个偏振或波长敏感元件来增强探测能力，其探测能力一般与所占用的空间大小或者所消耗的时间长短成正比，很难实现对宽带光谱上偏振态发生连续变化的高维光场的精准探测。

研究出发点

有鉴于此，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，开创性地提出了利用光学界面的空间色散和频率色散特性，在波矢空间对偏振和光谱响应进行调控的创新思想，仅需单个器件就能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中。配合深度学习的方法来解码偏振和光谱信息，最终实现高维度光信息的探测。此外，通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行“三明治”式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。    

研究内容

图1 现有光谱和偏振探测器的探测能力示意图（a），探测能力与所需时间或空间的关系（b），高维光电探测器的原理示意图（c），波矢量域中可定制的偏振和频谱响应（d-f）

在由偏振、波长和强度所组成的三维坐标系中（图1（a）），目前的光谱和偏振探测器一般会牺牲一个维度的信息来换取另一个维度的信息：通常仅能测量固定波长下的强度和偏振或均匀偏振下的强度和波长信息。此外，现有光谱和偏振探测器的探测能力如图1 (b)所示，通常需要在空间或时间上集成多个偏振或波长敏感元件来增强探测能力。

所设计的高维光电探测器原理如图1（c-f）所示，利用光学界面的空间色散和频率色散特性，在波矢空间对偏振和光谱响应进行调控的创新思想，仅需单个器件就能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中。进一步配合深度学习的方法解码偏振和光谱信息，最终实现高维度光信息的探测。

图2 高维光电探测器的设计。各向同性薄膜体系的空间色散和频率色散响应（a-c），堆叠多层膜结构增强共振的各向异性膜层体系的空间色散和频率色散响应（d-e）。高维光电探测器的理论探测能力：全斯托克斯偏振探测（g），复杂光谱探测（h），高维光场探测（i）  

不仅如此，这种基于光学界面在波矢空间中进行调制的方法所产生的偏振和光谱敏感性可以利用薄膜结构实现一步增强，并且通过在各向异性基底的两侧堆叠多层薄膜结构，还可以在实现宽带光谱探测的同时实现全斯托克斯偏振探测。在此基础上，研究团队在理论上和实验上验证了所设计高维光电探测器的全斯托克斯偏振探测、窄带光谱探测、宽带复杂光谱探测以及高维光场探测能力。同时，其对全斯托克斯偏振、窄带光谱、宽带光谱的探测精度以及光谱分辨能力很高，与现有先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相当。

图3 偏振与光谱探测的实验光路示意图（a），所采用的深度残差网络的示意图（b），高维光电探测器的全斯托克斯偏振探测能力（c），窄带光谱探测能力（d），宽带复杂光谱探测能力（e），光谱分辨能力（f）  

图4 双色双偏振激光场的高维度探测（a-c），宽带光照射金表面所产生的反射光场的高维度探测（d-f），高维光场成像仪的结构示意图及照片（g），人造目标的偏振和波长成像探测（h），双色双偏振合成光场的高维度成像探测（i）

研究团队选取了双色双偏振激光场以及宽带光照射金表面所产生的反射光场两种高维光场为代表，实验证明了所设计高维光电探测器均能利用单次测量实现对高维度光场信息的精准探测。同时，通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行“三明治”式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。对空间上包含不同偏振和波长信息的人造目标以及双色双偏振合成光场这类高维光场，也实现了高精度成像，如图4所示。    

总结与展望

本工作提出了一种基于色散表面的高维光电探测器，能以高分辨率对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行探测。通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行“三明治”式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。这一突破性成果为超紧凑、高维度的信息探测和成像探测开辟了一条新途径。

这种方法具有超宽带探测的潜力，并且利用这种波矢空间的响应能力，所提出的方法可以进一步与图像处理、测距等功能相集成，以实现更高维度的光场探测。同时，利用光子晶体、超表面、二维材料等代替薄膜结构可以进一步提高探测分辨率和集成能力。此外，优化深度学习的训练模型和过程，增强解算能力并降低所需先验数据量也是未来的研究方向。