我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)高維光場(chǎng)探測(cè)
近日，武漢光電國(guó)家研究中心張新亮教授、余宇教授研究團(tuán)隊(duì)提出基于無序引導(dǎo)型光子芯片與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高維光場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光的強(qiáng)度、寬譜以及混合全斯托克斯偏振態(tài)的綜合檢測(cè)。相關(guān)研究成果以“Disordered-guiding photonic chip enabled high-dimensional light field detection”為題，發(fā)表《自然·通訊》上。 $DtUTh 3)
光的強(qiáng)度、光譜和偏振作為光場(chǎng)的不同維度特性，對(duì)光與物質(zhì)相互作用的研究及光學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)通常依賴分立的光學(xué)元件，分別測(cè)量光的偏振和光譜信息，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大且效率低下。而現(xiàn)有的集成化方案在檢測(cè)參數(shù)增多時(shí)，往往面臨信號(hào)串?dāng)_和分辨率不足的問題。 YpRhl(|
為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)展示了一種創(chuàng)新的無序引導(dǎo)芯片，通過對(duì)無序分布進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，引入復(fù)雜的干涉和散射效應(yīng)，將光譜與偏振信息編碼為不同的多通道光強(qiáng)分布，基于逆向設(shè)計(jì)的引導(dǎo)區(qū)將輸出高效收集至片上鍺硅光電探測(cè)器陣列，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再對(duì)多路光電流解碼恢復(fù)光場(chǎng)信息。 SXN]$ {
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圖1.高維探測(cè)與成像系統(tǒng)工作原理示意圖 4sW ~7:vU
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該芯片能夠在1540-1560nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，同時(shí)檢測(cè)混合偏振狀態(tài)和寬帶光譜，偏振測(cè)量誤差僅為1.2°，光譜分辨率高達(dá)400pm。 bI_MF/r''
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圖2.全斯托克斯偏振與光譜探測(cè)性能。a.偏振探測(cè)任務(wù)在訓(xùn)練過程中的訓(xùn)練損失與驗(yàn)證損失曲線；b.利用多層感知機(jī)（MLP）模型預(yù)測(cè)的偏振態(tài)與商用偏振分析儀測(cè)得結(jié)果在龐加萊（Poincaré）球上的表示；c.不同偏振態(tài)下的預(yù)測(cè)功率誤差；d.一系列窄帶譜線的重構(gòu)光譜；e.連續(xù)寬帶信號(hào)的重構(gòu)光譜；f.光譜平均重建誤差；g.不同噪聲因子σ下的光譜重構(gòu)平均誤差；h.雙譜線重構(gòu)光譜。 %iJ}H6m
此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了該芯片在高維成像中的應(yīng)用，其識(shí)別性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單維檢測(cè)方法。例如，在“蘋果”圖案的成像實(shí)驗(yàn)中，芯片成功區(qū)分了不同波長(zhǎng)和偏振組合的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了100%的分辨準(zhǔn)確率，而傳統(tǒng)單維成像系統(tǒng)則無法分辨。該研究不僅為光學(xué)檢測(cè)提供了一種高分辨率、高集成度的解決方案，并且在生物醫(yī)學(xué)診斷、材料分析和光通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。 < G`1(,g
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圖3.高維光場(chǎng)探測(cè)與成像結(jié)果。a.利用高維探測(cè)芯片與商用儀器測(cè)得的寬帶全斯托克斯偏振光譜；b.重構(gòu)光譜與參考輸入光譜的對(duì)比；c.在寬帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各斯托克斯參數(shù)的誤差分布；d.采用不同單波長(zhǎng)和偏振態(tài)重構(gòu)出的四個(gè)“HUST”字母圖像；e.以“蘋果”掩模為目標(biāo)的“高維成像（HDI）”與“傳統(tǒng)單維成像（SDI）”結(jié)果對(duì)比；f.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高維芯片探測(cè)信號(hào)進(jìn)行分類的結(jié)果；g.在S1-S2與S2-S3平面中，不同輸入條件下的HDI與SDI結(jié)果。 {"2CI^!/U.
武漢光電國(guó)家研究中心顧芷娟博士生為第一作者，余宇教授為通訊作者，論文第一單位為華中科技大學(xué)。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、湖北省創(chuàng)新群體和光谷實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。
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相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63130-w
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