中国科研团队突破高维光场探测瓶颈，成果荣登《自然》杂志

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的李炜团队携手新加坡国立大学的合作伙伴，成功研发出一种创新技术，实现了对复杂自然光场中蕴含的高维度信息的全面捕捉与解析。

这项成果于5月15日在世界顶级科学期刊《自然》上以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”为题发表，标志着中国在光电子技术领域迈出了引领性的一步。

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。

高维光场探测是一种先进的光学技术，旨在捕捉并分析光场中的多种维度信息，包括但不限于空间位置、方向、偏振态、波长（或光谱）、时间和相位等。与传统光学成像仅记录光强信息相比，高维光场探测技术能够提供更为丰富和全面的光场描述，这对于诸多领域的应用具有重要意义，如精密测量、遥感成像、生物医学成像、量子信息处理和光学通信等。

传统光电探测技术面临的局限在于仅能捕捉光的强度信息，而对于光场中丰富的偏振、频率等多维度信息的探测则力有不逮。这在很大程度上限制了光通信、遥感技术、工业检测、医疗健康等领域的进一步发展。

面对这一挑战，李炜团队开创性地提出了一种全新的探测机制，利用光学界面独特的空间色散与频率色散特性，首次在单次测量中完成了对宽光谱范围内任意偏振与强度变化的高维光场的精确探测与分析。

该技术的核心创新点在于，通过精心设计的“三明治”式结构——即薄膜、微透镜阵列与成像传感器阵列的巧妙结合，不仅实现了对光场高维度信息的高效映射与捕捉，而且无需复杂的对准步骤，极大简化了操作流程，提高了集成度。研究团队还引入了深度学习算法，进一步优化了偏振与光谱信息的解码精度，与当前顶尖的单项功能小型偏振仪或光谱仪相比肩。

高维光场探测的技术亮点

多维信息整合：能够同时捕获光的多个维度信息，比如空间坐标、偏振状态和光谱成分，这些信息在传统的二维图像中通常是丢失的。

单次测量高维探测：以往探测高维光场信息可能需要多次独立测量后综合分析，而新技术能通过一次测量完成，提高了数据获取速度和效率。

光学界面的创新使用：通过控制光在特定光学界面上的传播行为，如利用空间色散和频率色散特性，实现了对光场信息的高效提取和处理。

集成多功能：提出的探测方法可以与图像处理、测距等其他功能相结合，进一步拓展了其应用范围和能力。

超宽带探测：具有探测宽频谱光的能力，对于复杂的光信号分析尤为重要，例如在太赫兹成像、激光雷达(LiDAR)系统中的应用。

这项研究不仅展现了在超宽带探测方面的巨大潜力，更为未来的光场探测技术指明了方向。研究团队展望，通过整合图像处理、测距等更多功能，以及探索光子晶体、超表面、二维材料等新材料的应用，有望进一步提升探测分辨率和集成度。同时，融合物理模型与深度学习的策略，将为实现更高维度光场探测提供强有力的技术支撑，减少对先验数据的依赖。

高维光场探测技术主要应用在下面这些领域：

精密测量与检测：在材料科学、半导体检测等领域，高维光场探测能够提供更精细的物质结构和性质信息。

生物医学成像：能够深入组织内部进行高分辨率、高对比度成像，有助于疾病早期诊断和治疗评估。

遥感与环境监测：通过分析大气或水体中的光场信息，可以更准确地监测环境污染、气候变化等。

量子信息：在量子通信和量子计算中，高维光场作为量子比特载体，能够提高信息传输的安全性和计算的复杂度。

光学通信：提升通信系统的容量和安全性，利用光的多个自由度进行数据编码和解码。

作为中国科研创新的又一里程碑，高维光场探测成果的成功发布，不仅彰显了中国在光学精密机械与物理研究领域的深厚底蕴，也为全球光电子技术的发展注入了强劲动力，开启了超紧凑、高维度信息探测与成像的新纪元。