Forscher entwickeln dispersionsunterstützten Fotodetektor zur Entschlüsselung hochdimensionalen Lichts

Eine neue Studie veröffentlicht In Naturdurchgeführt von einem internationalen Kollaborationsteam unter der Leitung von Prof. Wei Li vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, stellt einen neuartigen miniaturisierten Fotodetektor vor, der in der Lage ist, beliebige Polarisationszustände über ein Breitbandspektrum mit einem einzigen Gerät und einer einzigen Messung zu charakterisieren.

„Herkömmliche Photodetektoren sind darauf beschränkt, nur die Lichtintensität zu messen. Bestehende Polarisations- und Spektrum-Photodetektoren verlassen sich oft auf die komplexe Integration mehrerer polarisations- oder wellenlängenempfindlicher Elemente in Zeit oder Raum, um die Detektionsfähigkeiten zu verbessern“, sagte Professor Wei Li.

„Aktuelle Fotodetektoren opfern typischerweise eine Informationsdimension für eine andere; sie können entweder Intensität und Polarisation bei einer festen Wellenlänge oder Intensität und Wellenlänge bei einheitlicher Polarisation messen.

„Diese Einschränkung bedeutet, dass bestehende Methoden nur Lichtfelder mit vorgegebenen Polarisations- oder Wellenlängenwerten erkennen können, die auf einen dreidimensionalen Parameterraum projiziert werden. Dadurch gehen Freiheitsgrade verloren, die für viele natürliche Szenarien erforderlich sind, in denen Licht über ein breites Spektrum beliebige Änderungen in Polarisation und Intensität aufweisen kann“, sagte Professor Cheng-Wei Qiu von der National University of Singapore.

Das Team nutzte die räumliche Dispersion an einer Frequenzdispersionsschnittstelle, um konvergierende Lichtfelder mit wellenvektorabhängigen Reaktionen über verschiedene Azimut- und Einfallswinkelkanäle hinweg zu modulieren. Sie entdeckten zunächst, dass gemäß der Fresnel-Formel selbst die einfachsten Dispersionsschnittstellen bei schrägem Einfall spezifische Polarisations- und Wellenlängenreaktionen aufweisen, die durch Resonanz noch verstärkt werden können.

Auf dieser Grundlage können die Schnittstellen über einen gleichmäßigen Dispersionsfilm Licht aus allen Kanälen, das reichhaltige Polarisations- und Spektralinformationen enthält, in einer einzigen Abbildung abbilden, unterstützt durch tiefe Residualnetzwerke zur Dekodierung hochdimensionaler Polarisations- und Spektralinformationen.

„Unser Photodetektor ist in der Lage, eine hohe spektrale Auflösung und eine genaue Rekonstruktion von Voll-Stokes-Polarisationszuständen sowohl in theoretischen als auch in experimentellen Umgebungen zu demonstrieren. Die Präzisionserkennung hochdimensionaler Informationen durch unseren Photodetektor, wie beispielsweise eines Zweifarben-Laserfelds mit unterschiedlichen Polarisationszuständen oder einer Breitbandreflexion von einer Goldschnittstelle, die unterschiedliche Polarisationszustände aufweist, geht über die Fähigkeiten kommerzieller Polarimeter und Spektrometer hinaus.

„Darüber hinaus kann dieser Ansatz auf Bildgebungsanwendungen ausgeweitet werden, indem der Film mit einem kommerziellen Mikrolinsenarray und einem Sensorarray verbunden wird, um einen ultrakompakten hochdimensionalen Bildgeber zu realisieren“, sagte Assistenzprofessor Chunqi Jin vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Für die Zukunft geht Prof. Wei Li davon aus, dass durch die Integration handelsüblicher Breitband-Fotodetektoren eine Ultrabreitband-Erkennung erreicht werden kann. Die Erkennungsauflösung lässt sich durch die Verwendung von photonischen Kristallen, Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien anstelle bestehender Dünnschichtsysteme weiter verbessern. Und die Erkennungsfähigkeit lässt sich durch die Integration von Funktionen wie Bildverarbeitung und Entfernungsmessung in höhere Dimensionen steigern.

Darüber hinaus kann die Kombination physikalischer Modelle mit Deep-Learning-Modellen die Entschlüsselungsfähigkeit verbessern und den Bedarf an Priori-Ressourcen reduzieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser Ansatz die Landschaft hochdimensionaler Photodetektions- und Bildgebungstechnologien neu definieren wird und einen bedeutenden Meilenstein in der Lichtcharakterisierung darstellt. Die erwarteten transformativen Anwendungen erstrecken sich über verschiedene Bereiche und deuten auf eine vielversprechende Zukunft für Fortschritte in lichtbasierten Technologien hin.