长春光机所首篇Nature，实现零突破！

2024年5月，中国科学院长春光机所发表首篇nature，在高维光场探测领域取得的突破性科研进展！

      在光学领域，光的强度、偏振和光谱是其固有的三大特性，全面了解这些特性对于设备微型化、光通信、遥感、化学和生物表征以及天文观测等多个领域的关键应用至关重要。然而，现有的光电探测器通常只能单独测量其中一种特性，要同时获取光场的高维特征信息（即强度、偏振和光谱）的难度非常大。传统的光谱仪和偏振仪大多依赖复杂的集成系统，在空间或时间域中结合波长或偏振敏感元件来实现检测，但这往往导致系统复杂化，且在检测能力（范围和灵敏度）上存在局限。例如，现有的设备可以测量固定波长下的强度和偏振，或在统一偏振下显示强度和波长信息，但它们在检测中往往会失去某些自由度，无法完整表征光的三维参数空间。

     本文提出了一种新型的微型化高维光电探测器，该探测器能够在单次测量中同时表征光的全Stokes偏振状态和宽带光谱（400-900 nm）。与现有方法不同，这种探测器不依赖于复杂的空间或时间集成，而是利用了在薄膜界面上的空间和频率色散效应，使光的偏振和光谱信息在波矢域中被编码，并通过深度残差网络（ResNet）进行解码。具体来说，当一束带有多个波矢通道的光通过色散界面时，界面会以不同的方位角和入射角通道生成不同的偏振和光谱响应。这些响应被映射到单次成像中，并通过ResNet网络重建高维的偏振和光谱信息。

图1 现有方法与高维光电探测器的对比。

      图1展示了本文提出的高维光电探测器与现有方法的比较，以及新探测器的设计原理。图1a展示了现有光电探测方法的局限性。传统的光电探测器最多只能在强度、偏振和波长的三维参数空间中进行二维切片测量。然而，在自然界中，待检测的光场可能在宽波长范围内携带任意变化的偏振和强度信息。因此，现有的探测方法在高维光信息的捕捉上存在自由度的损失，无法全面表征复杂的光场。图1b显示了新型高维光电探测器的优势。与现有探测器需要通过空间或时间域中集成波长和/或偏振敏感元件来提高检测能力不同，新探测器在不需要此类复杂集成的情况下，能够在单个设备和单次测量中实现高维信息的探测。这一优势主要得益于新探测器在波矢域中的空间和频率色散效应。图1c解释了新探测器的工作原理。在新探测器中，高维的偏振和光谱信息被映射到单次成像中，并通过深度残差网络（ResNet）进行解码。图中展示了输入未知光场通过色散薄膜后，如何在k空间中生成不同通道的偏振和光谱信息，并最终通过深度学习算法进行高精度的解码。图1d解释了当汇聚光束（黄色锥形光束）通过界面时，如何在不同的方位角（φ）和入射角（θ）通道中生成波矢依赖的偏振响应。图1e展示了在方位角φ维度上，光的正交偏振分量P1（红线）和P2（蓝线）沿着φ维度呈现出双重旋转对称的正弦波形，但它们相差90°，这为偏振的鉴别提供了基础。图1f展示了当界面具有频率色散时，结合空间色散（即非局域效应和入射角θ依赖性），可以在不同入射角θ1和θ2下解耦传输/反射光谱（λ），从而为光谱重建提供了可能性。

图2 高维光电探测器的设计。

      图2展示了高维光电探测器的具体构造及其在偏振和光谱检测方面的工作原理。图2a展示了如何通过工程设计单层TiO2薄膜的厚度，以增强特定波长下的线性偏振区分能力。图2b展示了TiO2薄膜在不同入射角θ下跨越400-900 nm宽带光谱的线性偏振区分（|Ts - Tp|）。图2c展示了在给定偏振状态下，TiO2薄膜在不同入射角θ下的传输光谱。通过设计薄膜厚度和入射角，可以使得传输光谱在不同θ通道上实现大幅度的解耦，从而提升光谱检测的分辨率。图2d展示了如何通过引入各向异性基底来实现圆偏振（CP）的区分。图2e展示了通过堆叠多层薄膜结构，如何进一步增强CP区分能力，并将此能力扩展到更小的θ通道范围内。图2f展示了通过多层薄膜结构，如何增强探测器的光谱灵敏度。多层结构引入了丰富的光谱特征和增强的非局域效应，通过多个干涉现象进一步放大了光谱检测的灵敏度。图2g展示了通过深度残差网络（ResNet）模型，如何重建全Stokes偏振信息。图2h展示了探测器在重建400-900 nm宽带光谱时的表现。图2i展示了探测器在重建复杂高维光场信息时的表现。

      实验验证了该探测器在偏振和光谱检测方面的能力。通过改良的ResNet-18模型对k空间传输映射进行分析，结果显示，该探测器能够实现非常高的偏振检测精度，与现有的单用途微型偏振仪相当，同时在光谱检测方面也表现出卓越的分辨率。此外，通过多层薄膜结构的设计，该探测器能够进一步增强偏振和光谱的区分能力，尤其在检测复杂的高维光场信息时表现出色，例如在同时存在多个偏振状态和宽带光谱的情况下，该探测器能够精确重建这些高维信息。而且，与传统光谱仪和偏振仪相比，本文提出的探测器在不损失检测精度的情况下，大大简化了系统的复杂性。

      本文展示了一种非局域的高维光电探测器，其能够以高分辨率解码来自复杂光场的任意偏振状态和光谱信息。该探测器结合了商用微透镜和传感器阵列，具有紧凑、对准自由和单次采集成像的特点，因此具备广泛的应用潜力。尽管目前的研究范围集中在400-900 nm波段，但这一设计并不局限于此，未来可以扩展到更宽的光谱范围（例如400 nm到10 μm）。此外，该方法不仅适用于薄膜方案，还可以与光子晶体、超表面、二维材料和扭曲光子系统等结合，进一步提高检测分辨率和多维信息的检测能力。未来，该探测器有望在更高维度的检测领域（如空间压缩、边缘检测和距离测量）中发挥重要作用。

联系人：许经理 17843129655（同微信）

     当前，超高时间&空间分辨率的化学反应测量已经成为能源、材料、催化、环境与生命科学等众多领域的关注焦点。这些被测量的化学反应一般发生在界面上，但有些发生在材料体相以及溶液中。超分辨电化学显微镜（SRECM）技术对物理高分辨表征技术（微观物理信息—结构&成分）实现了不可或缺的有益补充（微观化学信息—反应动力学&速率)，建立了之前难以获得的精准构效关系。

      以扫描电化学液池显微镜（SECCM）技术为例，它能够直接绘制二维材料、表面缺陷及晶界等不同位置的催化活性差异（参见Nature, 2023, 620, 782；Nature, 2021, 593, 67；Science, 2017, 358, 1187；Nat. Mater., 2021, 20, 1000等）。同样，扫描电化学显微镜（SECM）技术能够实现催化反应中间体、动力学速率以及催化剂活性位点密度的定量测量（参见Nat. Catal., 2021, 4, 654；Nat. Catal., 2021, 4, 615等）。

      这些先进的SRECM技术为我们提供了在微观尺度上理解化学反应的窗口，同时也为精确设计和优化催化剂、材料以及理解反应动力学机制提供了有力工具。

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