5月15日，国际权威学术期刊《自然》(Nature)以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”为题刊发了中国科学院长春光机所在高维光场探测领域取得的突破性科研进展。这是长春光机所首次以第一完成单位在Nature发表论文，实现了零的突破。这也是长春光机所在第十个“国际光日”(International Day of Light)这个有纪念意义的日子，以高水平科研成果为光学事业的发展献礼。

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。然而，传统的光电探测器仅限于测量光强度，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。此外，目前的偏振和光谱探测器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。然而，在自然界的很多场景中，光场可能在宽光谱范围内携带任意的偏振和强度变化，而现有探测器难以实现对这种高维度信息的探测。

针对这一问题，李炜团队与合作者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，从而实现了高维度光场信息探测这一突破性进展。

图1. 所提出的高维度光场探测方法的工作原理示意图

该研究提出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，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，且具有与现有先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相当的探测精度。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。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。

图2. 高维光场探测及成像的实验验证。a-c. 双色双偏振激光场的高维度探测，d-f. 宽带光照射金表面所产生的反射光场的高维度探测，g. 高维光场成像仪的结构示意图及照片，h. 人造目标的偏振和波长成像探测，i. 双色双偏振合成光场的高维度成像探测

研究团队指出，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，进一步对其中的物理模型与深度学习进行有机结合，以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。

中国科学院长春光机所博士生范延东、黄伟安和朱菲为论文的共同第一作者，中国科学院长春光机所李炜研究员，靳淳淇助理研究员和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。

李炜研究员是长春光机所光子室（http://www.gplphotonics.com/）主任，国家海外高层次人才，2020年底回国入职长春光机所，致力于光子学前沿研究并推进其在辐射热控和多维光信息感知方面的应用。

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