三維時(shí)空光場(chǎng)矢量特性的診斷裝置。

近日，華中科技大學(xué)電氣學(xué)院博士生胡耀丹以第一作者在國(guó)際期刊Nature Communications上發(fā)表論文“結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的高維單發(fā)壓縮感知測(cè)量”(High-dimensional one-shot optical field compressive sensing of structured light)。該研究首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意光場(chǎng)進(jìn)行單次曝光，同步解析其振幅、相位、偏振和波長(zhǎng)等全部矢量信息，助力高維單次光場(chǎng)壓縮感知(HOOCS)研究。

光學(xué)探測(cè)作為我們感知和探索世界的“眼睛”，其核心意義在于獲取、分析和利用光攜帶的豐富信息。它不僅是基礎(chǔ)科學(xué)研究的基石，更是工業(yè)制造、生物醫(yī)療、信息通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的光學(xué)探測(cè)手段，如相機(jī)或光電探測(cè)器，都存在一個(gè)根本性的局限：它們通常只能捕獲光的二維空間強(qiáng)度，就好比只能拍攝一張靜態(tài)的二維照片。光場(chǎng)作為一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，其完整信息遠(yuǎn)不止于此，還包括了三維時(shí)空中的振幅、相位、偏振以及波長(zhǎng)等多個(gè)維度。

這種“信息維度”的缺失，使得我們無(wú)法完整、動(dòng)態(tài)地表征許多復(fù)雜光場(chǎng)(如光學(xué)渦旋、矢量偏振光束等)，就像試圖通過(guò)一張二維照片來(lái)理解一個(gè)三維物體的所有細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)。因此，發(fā)展一種能夠一次性、全面表征光場(chǎng)所有維度信息的探測(cè)技術(shù)，是光學(xué)乃至整個(gè)物理學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵難題。

正是為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我校樊寬軍教授和李政言教授團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了深入研究。他們創(chuàng)造性地將信息科學(xué)中的壓縮感知理論與精密光學(xué)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，成功突破了現(xiàn)有技術(shù)的局限，首次實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量就能完整解析光場(chǎng)所有維度的信息。這項(xiàng)突破將光學(xué)探測(cè)能力從“二維照片”時(shí)代，一舉推向了可以記錄光場(chǎng)“全息”狀態(tài)的高維電影時(shí)代。

均勻光場(chǎng)的三維時(shí)空偏振態(tài)特性：(a)三維時(shí)空光場(chǎng)結(jié)構(gòu);(b,d-e)生成的線(xiàn)偏振、左旋圓偏振及橢圓偏振的三維光強(qiáng)及時(shí)空偏振態(tài);(c)非理想線(xiàn)性偏振飛秒激光脈沖的一維偏振態(tài)演化實(shí)測(cè)值及與理論計(jì)算之間的對(duì)比。

這項(xiàng)技術(shù)不僅在基礎(chǔ)理論上實(shí)現(xiàn)了突破，更具有廣泛的應(yīng)用潛力。它為復(fù)雜光子態(tài)的精確操控和超快動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)提供了全新的工具。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于超快物理，實(shí)時(shí)觀測(cè)飛秒(10-15秒)甚至阿秒(10-18秒)時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)過(guò)程;應(yīng)用于量子科學(xué)，為量子態(tài)的表征和操控提供新方法;應(yīng)用于生物與醫(yī)學(xué)，為超高時(shí)空分辨率生物顯微成像等領(lǐng)域帶來(lái)革命性變革。

該成果的取得是華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院與電氣學(xué)院跨學(xué)科深度合作的結(jié)晶。這項(xiàng)研究的第一作者胡耀丹，現(xiàn)在就讀于電氣學(xué)院樊寬軍教授團(tuán)隊(duì)，在研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。正是這種跨學(xué)院、跨領(lǐng)域的合作模式，催生了這一具有突破性的研究成果。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)秉持開(kāi)放合作的精神，積極拓展更多跨學(xué)科研究，以期在更多前沿領(lǐng)域取得更大的進(jìn)展。

審核編輯 黃宇