光电探测器:单次测量实现高维光探测

发布时间:2024-05-28 09:22:19.000Z

光的综合检测:色散辅助光电探测器解码高维光

 

现有的光电探测器在空间或时间上构建和集成波长和/或偏振敏感元件以提高探测能力(范围和灵敏度),而这种光电探测器在通过单个器件和单次测量实现高维探测的同时放弃了这种集成。来源:《自然》(Nature)(2024)。DOI: 10.1038/s41586-024-07398-w

 

在光电探测技术领域,一项突破性进展正在重新定义我们对光信息的捕捉和分析方式。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(CIOMP)的李伟教授及其国际合作团队,在《自然》杂志上发表了一项创新研究成果,介绍了一种新型的小型化光电探测器,该探测器能够通过单一设备和单次测量来表征宽带频谱上的任意偏振态。

 

传统的光电探测器通常受限于仅能测量光的强度,而要提高探测能力,如范围和灵敏度,往往需要在时间和空间上构建和集成多个波长和/或偏振敏感元件。然而,这种集成往往会牺牲一个维度的信息以获取另一个维度的信息,限制了探测的自由度。

 

李伟教授指出:“现有的偏振和光谱光电探测器依赖于多个敏感元件的复杂集成,而我们的新型探测器能够在单个器件和单次测量中实现高维探测,无需这种集成。” 这种新型探测器的设计理念是利用频散界面上的空间色散来调制会聚光场,产生与波矢量相关的响应,从而在单次成像中映射携带丰富偏振和光谱信息的所有通道的光。

 

该团队的创新之处在于,他们发现了即使最简单的色散界面在斜入射下也表现出特定的偏振和波长响应,这种响应可以通过共振进一步增强。在此基础上,通过均匀色散膜,接口可以在单次成像中映射所有通道的光,并借助深度残差网络解码高维偏振和光谱信息。

 

金春奇助理教授提到:“我们的光电探测器能够在理论和实验环境中展示高光谱分辨率和精确的全斯托克斯偏振态重建。” 这种能力使得新型探测器能够精确检测高维信息,例如具有不同偏振态的双色激光场或来自具有不同偏振态的金界面的宽带反射,这是传统商用偏振计和光谱仪所无法实现的。

 

展望未来,李伟教授提出了进一步发展的愿景,包括通过集成宽带商用光电探测器实现超宽带探测,利用光子晶体、超表面和二维材料提高探测分辨率,以及通过集成图像处理和距离测量等功能提高更高维度的检测能力。此外,结合物理模型与深度学习模型,可以增强解密能力,减少所需的先验资源。

 

这项研究不仅有望重新定义高维光探测和成像技术的前景,而且标志着光表征的一个重要里程碑。其预期的变革性应用跨越多个领域,预示着光基技术进步的美好未来。

 

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