中國科研團隊突破高維光場探測瓶頸，成果榮登《自然》雜志

近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的李煒團隊攜手新加坡國立大學的合作伙伴，成功研發出一種創新技術，實現了對復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日在世界頂級科學期刊《自然》上以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”為題發表，標志著中國在光電子技術領域邁出了引領性的一步。

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生的反射光場的高維度探測，（g）高維光場成像儀的結構示意圖及照片，（h）人造目標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的光學技術，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、波長（或光譜）、時間和相位等。與傳統光學成像僅記錄光強信息相比，高維光場探測技術能夠提供更為豐富和全面的光場描述，這對于諸多領域的應用具有重要意義，如精密測量、遙感成像、生物醫學成像、量子信息處理和光學通信等。

傳統光電探測技術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、工業檢測、醫療健康等領域的進一步發展。

面對這一挑戰，李煒團隊開創性地提出了一種全新的探測機制，利用光學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。

該技術的核心創新點在于，通過精心設計的“三明治”式結構——即薄膜、微透鏡陣列與成像傳感器陣列的巧妙結合，不僅實現了對光場高維度信息的高效映射與捕捉，而且無需復雜的對準步驟，極大簡化了操作流程，提高了集成度。研究團隊還引入了深度學習算法，進一步優化了偏振與光譜信息的解碼精度，與當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、偏振狀態和光譜成分，這些信息在傳統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，而新技術能通過一次測量完成，提高了數據獲取速度和效率。

光學界面的創新使用：通過控制光在特定光學界面上的傳播行為，如利用空間色散和頻率色散特性，實現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合，進一步拓展了其應用范圍和能力。

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

這項研究不僅展現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指明了方向。研究團隊展望，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用，有望進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習的策略，將為實現更高維度光場探測提供強有力的技術支撐，減少對先驗數據的依賴。

高維光場探測技術主要應用在下面這些領域：

精密測量與檢測：在材料科學、半導體檢測等領域，高維光場探測能夠提供更精細的物質結構和性質信息。

生物醫學成像：能夠深入組織內部進行高分辨率、高對比度成像，有助于疾病早期診斷和治療評估。

遙感與環境監測：通過分析大氣或水體中的光場信息，可以更準確地監測環境污染、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，能夠提高信息傳輸的安全性和計算的復雜度。

光學通信：提升通信系統的容量和安全性，利用光的多個自由度進行數據編碼和解碼。

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