Pesquisadores criam fotodetector assistido por dispersão para decifrar luz de alta dimensão

Ao contrário dos fotodetectores existentes que constroem e integram elementos sensíveis ao comprimento de onda e/ou polarização no espaço ou no tempo para melhorar a capacidade de detecção (alcance e sensibilidade), este fotodetector dispensa tal integração enquanto alcança detecção de alta dimensão com um único dispositivo e medição de disparo único. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07398-w

Um novo estudo publicado na Nature , conduzido por uma equipe de colaboração internacional liderada pelo Prof. Wei Li do Instituto de Óptica, Mecânica Fina e Física de Changchun (CIOMP) da Academia Chinesa de Ciências, apresenta um novo fotodetector miniaturizado capaz de caracterizar estados de polarização arbitrários em um espectro de banda larga com um único dispositivo e uma única medição.

"Os fotodetectores tradicionais estão limitados apenas à medição da intensidade da luz. Os fotodetectores de polarização e espectro existentes muitas vezes dependem da integração complexa de múltiplos elementos sensíveis à polarização ou ao comprimento de onda no tempo ou no espaço para melhorar as capacidades de detecção, "disse o professor Wei Li.

"Os fotodetectores atuais normalmente sacrificam uma dimensão de informação por outra; eles podem medir intensidade e polarização em um comprimento de onda fixo ou intensidade e comprimento de onda sob polarização uniforme.

"Esta limitação significa que os métodos existentes só podem detectar campos de luz com polarização predeterminada ou valores de comprimento de onda projetados em um espaço de parâmetros tridimensional, perdendo assim graus de liberdade necessários para muitos cenários naturais onde a luz pode transportar mudanças arbitrárias na polarização e intensidade através de uma ampla espectro", disse o professor Cheng-Wei Qiu, da Universidade Nacional de Cingapura.

A equipe aproveitou a dispersão espacial em uma interface de dispersão de frequência para modular campos de luz convergentes com respostas dependentes de vetores de onda em diferentes canais azimutais e de ângulo incidente. Eles descobriram inicialmente que, de acordo com a fórmula de Fresnel, mesmo as interfaces dispersivas mais simples exibem polarização específica e respostas de comprimento de onda sob incidência oblíqua, que podem ser ainda melhoradas pela ressonância.

Com base nisso, através de um filme de dispersão uniforme, as interfaces podem mapear a luz de todos os canais que transportam informações ricas de polarização e espectro em uma única imagem, auxiliadas por redes residuais profundas para decodificar informações de polarização e espectro de alta dimensão.

"Nosso fotodetector é capaz de demonstrar alta resolução espectral e reconstrução precisa de estados de polarização full-Stokes em configurações teóricas e experimentais. Detecção precisa de informações de alta dimensão por nosso fotodetector, como um campo de laser de duas cores com diferentes estados de polarização ou a reflexão de banda larga a partir de uma interface de ouro exibindo vários estados de polarização é alcançada além das capacidades do polarímetro e espectrômetro comercial.

"Além disso, esta abordagem pode ser estendida a aplicações de imagem, imprensando o filme com um conjunto comercial de microlentes e um conjunto de sensores para obter imagens ultracompactas e de alta dimensão", disse o professor assistente Chunqi Jin, do Instituto de Óptica, Mecânica Fina e Física de Changchun. (CIOMP) da Academia Chinesa de Ciências.

Olhando para o futuro, o Prof. Wei Li prevê que a detecção de banda ultralarga pode ser alcançada através da integração de fotodetectores comerciais de banda larga; a resolução de detecção pode ser melhorada ainda mais usando cristais fotônicos, metassuperfícies e materiais bidimensionais em vez de esquemas de película fina existentes; e a capacidade de detecção pode ser ampliada em dimensões superiores integrando funcionalidades como processamento de imagem e medição de distância.

Além disso, combinar modelos físicos com modelos de aprendizagem profunda pode melhorar a capacidade de decifração e reduzir a quantidade de recursos necessários a priori.

Em conclusão, esta abordagem promete redefinir o panorama das tecnologias de fotodetecção e imagem de alta dimensão, marcando um marco significativo na caracterização da luz. Suas aplicações transformadoras previstas abrangem diversos campos, sinalizando um futuro promissor para avanços em tecnologias baseadas em luz.

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