近年來，隨著光通信、航天遙感、目標(biāo)識別、自動駕駛等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對光場的感知和探測、以及光學(xué)系統(tǒng)的小型化和集成化提出了更高要求。

對于光場來說，它攜有強(qiáng)度、偏振、頻率、相位等多個維度的信息。

其中，光譜信息和偏振信息可以揭示物質(zhì)組成成分、以及物體表面形貌等信息，因此探明這兩種信息是光場探測中的關(guān)鍵一環(huán)。

然而，現(xiàn)有的偏振探測器和光譜探測器依舊存在兩個問題：

一是其探測能力依賴于在時間或空間上集成偏振或波長敏感元件；

二是它們一次僅能對部分特征進(jìn)行測量，無法準(zhǔn)確探測高維度光場信息，即無法準(zhǔn)確探測在寬光譜范圍內(nèi)具有任意變化的偏振信息和強(qiáng)度信息。

為了解決以上問題，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的研究人員，在高維度光場探測領(lǐng)域開展了一項(xiàng)研究。

研究中，他們提出一種利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散在波矢空間調(diào)控偏振響應(yīng)和光譜響應(yīng)的思想。

并配合深度學(xué)習(xí)方法來解碼偏振信息和光譜信息，利用單個器件的單次測量，就能實(shí)現(xiàn)對于高維度光場信息的探測。

對于該論文，審稿人認(rèn)為這是領(lǐng)域內(nèi)具有標(biāo)志性意義的創(chuàng)新突破，填補(bǔ)了前人工作中的空白。

而在研究中，他們先是建立計(jì)算模型，并對器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

最初，他們發(fā)現(xiàn)利用光學(xué)界面的空間色散和頻率色散，可以在波矢空間調(diào)控偏振和波長信息。

之后，課題組基于簡單的單層薄膜體系，對其透射率與入射偏振態(tài)、入射光譜、入射角和方位角的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

隨后，該團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)通過引入共振，可以增強(qiáng)透射強(qiáng)度分布對于偏振信息和光譜信息的敏感性，并逐步建立了在波矢空間中、光經(jīng)過色散表面的透射傳輸模型。

借此將強(qiáng)度信息、偏振信息和波長信息，全部編碼到單個波矢空間的強(qiáng)度分布之中，并基于該模型設(shè)計(jì)了薄膜器件。隨后，他們從波矢空間的強(qiáng)度分布中解碼信息。

一開始，該團(tuán)隊(duì)采用了許多常用的信息提取方法。但是，由于上述強(qiáng)度分布中編碼的偏振信息和光譜信息較為復(fù)雜，同時實(shí)驗(yàn)上會引入額外的系統(tǒng)噪聲，以至于使用這些方法只實(shí)現(xiàn)了針對簡單信息的提取分析。

為了從中解碼出復(fù)雜的高維光場信息，他們借助深度學(xué)習(xí)的方法，并且經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練和測試，確定這一方法可以實(shí)現(xiàn)高維信息的提取。

并逐步在理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對于偏振信息、光譜信息、以及高維光場信息的高精度探測。

驗(yàn)證探測器的信息探測能力之后，他們發(fā)現(xiàn)探測器在較小的入射角度下，也有一定的偏振信息和光譜信息敏感特性。

于是，該團(tuán)隊(duì)考慮通過集成微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)高維度光場的成像。

經(jīng)過大尺寸樣品的制備、微透鏡陣列的制造、以及大面積圖像傳感器陣列的選取之后，他們構(gòu)建了超緊湊的高維光場成像儀。

并針對不同的高維光場場景進(jìn)行了成像。至此，主要研究工作才終于完成。

由于高維光場信息十分復(fù)雜，是每個維度信息乘積的關(guān)系。在單個器件、單次探測的情況下，采用傳統(tǒng)的解碼方式，很難針對高維光場信息進(jìn)行解碼。

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，各個學(xué)科的研究人員都開始引入深度學(xué)習(xí)。

如前所述，該團(tuán)隊(duì)也看到了深度學(xué)習(xí)在信息解碼中的潛力。因此，在本次研究之中，他們利用 ResNet 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對高維光場信息進(jìn)行了重建。

而由于研究成員都是光學(xué)背景出身，所以在深度學(xué)習(xí)算法的建立過程中遇到了不少困難。

研究人員表示：“在這一過程中最令人難忘的事是仿真光譜重建第一次有效果的時候?！?/p>

在正式開始進(jìn)行仿真光譜的重建前，他們已經(jīng)在深度學(xué)習(xí)方面摸索了近一年的時間。

這一年中，無論是偏振還是光譜的實(shí)驗(yàn)重建，他們都取得了一些初步效果。

本以為理論光譜的重建會進(jìn)行得非常順利，但事與愿違，在一開始連一丁點(diǎn)重建成功的跡象都沒有。

隨后他們又進(jìn)行了大量嘗試，每次都以失敗告終。失敗并不可怕，可怕的是不知道為什么失敗，不知道怎樣才可能成功。

他們甚至開始懷疑，之前實(shí)驗(yàn)上取得的初步效果其實(shí)只是一個美麗的誤會。

就這樣，在一邊看著“亂碼”般的重建結(jié)果看不到頭，一邊陷入深深的自我懷疑下，他們掙扎了整整兩個月。

終于，兩個月后的某一天，就是大家那么不經(jīng)意的一次討論，讓他們突然驚醒，并開始重新審視重建方法。

果然，課題組發(fā)現(xiàn)了失敗的可能原因，于是快速進(jìn)行新一輪的嘗試。

“就像霧霾散去，露出藍(lán)天一樣，我們看到一條干凈的曲線。我們一直堅(jiān)信能夠重建成功，但當(dāng)真的看到它時，第一時間是不敢相信。”研究人員表示。

而當(dāng)目光逐漸匯聚，當(dāng)兩條相似而不完全一樣的曲線完全進(jìn)入視野時，他們才終于確認(rèn)，這一次，成功了！

最終，相關(guān)論文《以色散輔助高維光電探測器》（Dispersion-assisted high-dimensional photodetector）為題發(fā)在 Nature[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的博士生范延?xùn)|、黃偉安和朱菲是共同一作。

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的李煒研究員和靳淳淇助理研究員、以及新加坡國立大學(xué)仇成偉教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 研究人員（來源：課題組）

而由于所構(gòu)建的理論模型本質(zhì)上適用于任意波段，所以下一階段課題組計(jì)劃在紅外等波段來實(shí)現(xiàn)高維探測，以便適應(yīng)更多的應(yīng)用場景。

此外，他們計(jì)劃進(jìn)一步探索物理模型與深度學(xué)習(xí)模型，以降低所需要的先驗(yàn)數(shù)據(jù)量，提高探測器的實(shí)用性。

同時，還將利用超表面、光子晶體和二維材料等代替薄膜結(jié)構(gòu)，將所提出的探測器進(jìn)一步小型化并提高探測分辨率。

與此同時，他們也計(jì)劃通過升級模型或使用更加復(fù)雜的模型，降低訓(xùn)練所需要的先驗(yàn)數(shù)據(jù)量，并實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的性能。并將繼續(xù)把深度學(xué)習(xí)方法，應(yīng)用在其他研究方向中。

在應(yīng)用上，該團(tuán)隊(duì)希望可以將這一研究應(yīng)用于遙感領(lǐng)域，在提升信息信息探測維度的同時，實(shí)現(xiàn)探測系統(tǒng)的小型化。

此外，他們還希望能夠?qū)⑵溆糜卺t(yī)療診斷、化學(xué)分析、工業(yè)檢測和自動駕駛等領(lǐng)域，通過對目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、更加全面的分析探測，來推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

參考資料：

1.Fan, Y., Huang, W., Zhu, F.et al. Dispersion-assisted high-dimensional photodetector. Nature 630, 77–83 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07398-w

運(yùn)營/排版：何晨龍

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