祝贺！长春光机所首篇Nature正刊诞生!

【研究背景】

随着科技的不断进步，光学领域的研究日益受到关注。光作为一种电磁波，具有强度、偏振、频率、相位等多个维度的信息，而全面理解和表征这些信息对于许多应用至关重要。特别是在光通信、遥感、工业检测、医疗诊断、化学分析和环境保护等领域，对光场的高维度信息进行全面探测具有重要意义。

然而，传统的光电探测器通常只能测量光的强度，而现有的偏振和光谱探测器则需要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。这导致了在探测光强度、极化和波长等参数时存在局限性，而无法实现对宽波长范围内具有任意变化的光场的全面表征。

为了解决这一问题，中国科学院长春光机所李炜团队与合作者进行了深入研究，提出了一种全新的高维度光场探测方法。他们利用光学界面的空间色散和频率色散特性，通过单个器件进行单次测量，实现了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的全面表征。这项研究不仅是长春光机所在《自然》杂志上发表的首篇论文，也是长春光机所在第十个“国际光日”这个有纪念意义的日子上的一次重要突破。

他们提出了一种简单而有效的方法，通过空间色散和频率色散来调控光的偏振和光谱响应，将高维光场的信息映射到单次成像结果中。通过深度学习方法来解码光的偏振和光谱信息，他们实现了高维度光信息的全面探测，并且与现有的先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相比，具有相当的探测精度。

【图文解读】

图1图展示了现有方法与他们提出的高维光场探测器的对比。首先，在图1a中，展示了现有光检测方法通常只能测量强度、极化和波长中的两个维度，即在固定波长上测量强度和极化或在统一极化下测量强度和波长，而实际的光场往往在广泛的波长范围内具有任意变化的极化和强度。相比之下，提出的高维光场探测器能够实现全面的光场信息检测，包括在宽带光谱范围内具有任意变化的强度和极化。其次，在图1b中，与现有光电探测器相比，新方法采用了不同的工作原理。现有的方法主要依赖于构建和集成波长和/或极化敏感元件来提高探测能力，而新方法则利用空间色散特性，在波矢空间内对偏振和光谱响应进行调控，从而实现高维光场信息的单次成像。

在图1c中，展示了提出的高维光场探测器的工作原理。通过将高维极化和光谱信息映射到单次成像中，并借助深度学习方法解码，可以实现对光场的高维信息的探测。最后，在图1d中，通过将薄膜界面与成像传感器组合，提出的方法可以实现无需对准的单次测量，从而为超紧凑、高维度的信息探测和成像探测开辟了新的途径。综上所述，图1展示了提出的高维光场探测器相对于现有方法的优势，其能够实现全面、高精度的光场信息检测，为光学领域的研究和应用提供了重要的技术支持。

图1：现有方法与本实验的高维光电探测器对比。

图2主要描述了高维度光场探测器的设计过程和实现效果。首先，通过构建法布里-珀罗腔，研究者们实现了对于偏振检测和光谱检测的双重作用。在偏振检测方面，他们调控腔长以最大化在给定波长下的极化差异，并展现了在不同θ通道上的极化差异（图2a、b）。在光谱检测方面，腔的设计增加了界面的频率色散和空间色散，使得在不同θ通道上的传输光谱可以大幅解耦（图2c）。进一步，在图2d中，通过引入相位延迟，研究者们实现了对环形极化状态的区分，从而实现了全斯托克斯极化和宽带光谱灵敏度。通过在衬底的两侧叠加多层薄膜，可以进一步增强这些性能，并实现更丰富的光谱特征和增强的非局部性（图2e、f）。这一方法不仅拓展了光学探测的功能，而且为光学信息处理领域的进一步研究和应用提供了新的思路和可能性。

图2.高维光电探测器的设计。

图3展示了该方法在实验中对极化和光谱的智能检测能力。研究者们采用了背焦平面成像设置，实验性地表征了各种极化和光谱状态的k空间传输映射，并且通过卷积神经网络实现了对这些信息的解码。实验结果表明，他们的方法可以准确地检测到不同的极化状态和光谱，并且与商业仪器相比具有相当的检测精度，甚至具有更广泛的功能和改进空间。

图3. 极化和光谱的智能检测。

在图4中研究者首先考虑了两个情景，分别是双色激光场和反射光，这些情景中商业设备往往无法准确检测高维度信息。他们通过图中展示的实验结果验证了他们的高维度光电探测器的重建能力。首先，在双色激光场的情景下（图4a-c），研究者使用580纳米和635纳米激光作为输入，分别代表线偏振和圆偏振，展示了相对于商业设备更准确的高维度重建结果。其次，在反射光的情景下（图4d-f），他们研究了金表面上倾斜照射的反射光，证明了他们的光电探测器在这种情况下也能够精确地重建高维度信息。最后，他们将这种技术应用到成像领域，设计了一种超紧凑的高维度空间光谱极化（HSSP）成像仪（图4g），能够记录和展示空间中不同位置的高维度光信息，从而拓展了成像领域的功能性和应用范围。

图4. 高维光电探测器和成像仪。

【研究结论】

本文开发了一种非局域高维光电探测器和成像技术，能够从复杂的光场中准确地解读任意的极化状态和光谱信息。这一技术突破了传统光电探测器仅能测量光强度的局限性，实现了对高维度光场信息的全面探测。通过利用光学界面的非局域特性和波矢空间调控的创新思想，该技术能够映射高维光场的信息到单次成像结果中，并通过深度学习方法进行信息解码，从而实现了对极化状态和光谱信息的高精度检测。

此外，该技术的紧凑、无需对准和单次获取的特点使其具有广泛的应用前景，可以应用于光通信、遥感、医疗诊断等领域，为高维度信息的探测和成像开辟了一条新途径。这一创新为光学和光电子领域带来了新的思路和方法，对于推动光学技术的发展具有重要的科学意义和实用价值。

原文详情：Fan, Y., Huang, W., Zhu, F. et al. Dispersion-assisted high-dimensional photodetector. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07398-w