华中科大在超快光场诊断研究取得新进展

三维时空光场矢量特性的诊断装置。

近日，华中科技大学电气学院博士生胡耀丹以第一作者在国际期刊Nature Communications上发表论文“结构光场的高维单发压缩感知测量”(High-dimensional one-shot optical field compressive sensing of structured light)。该研究首次实现了对任意光场进行单次曝光，同步解析其振幅、相位、偏振和波长等全部矢量信息，助力高维单次光场压缩感知(HOOCS)研究。

光学探测作为我们感知和探索世界的“眼睛”，其核心意义在于获取、分析和利用光携带的丰富信息。它不仅是基础科学研究的基石，更是工业制造、生物医疗、信息通信等领域的关键技术。长期以来，传统的光学探测手段，如相机或光电探测器，都存在一个根本性的局限：它们通常只能捕获光的二维空间强度，就好比只能拍摄一张静态的二维照片。光场作为一种复杂的物理现象，其完整信息远不止于此，还包括了三维时空中的振幅、相位、偏振以及波长等多个维度。

这种“信息维度”的缺失，使得我们无法完整、动态地表征许多复杂光场(如光学涡旋、矢量偏振光束等)，就像试图通过一张二维照片来理解一个三维物体的所有细节和运动。因此，发展一种能够一次性、全面表征光场所有维度信息的探测技术，是光学乃至整个物理学界亟待解决的关键难题。

正是为了应对这一挑战，我校樊宽军教授和李政言教授团队展开了深入研究。他们创造性地将信息科学中的压缩感知理论与精密光学测量技术相结合，成功突破了现有技术的局限，首次实现了单次测量就能完整解析光场所有维度的信息。这项突破将光学探测能力从“二维照片”时代，一举推向了可以记录光场“全息”状态的高维电影时代。

均匀光场的三维时空偏振态特性：(a)三维时空光场结构;(b,d-e)生成的线偏振、左旋圆偏振及椭圆偏振的三维光强及时空偏振态;(c)非理想线性偏振飞秒激光脉冲的一维偏振态演化实测值及与理论计算之间的对比。

这项技术不仅在基础理论上实现了突破，更具有广泛的应用潜力。它为复杂光子态的精确操控和超快动态物理过程的实时观测提供了全新的工具。未来，这项技术有望应用于超快物理，实时观测飞秒(10-15秒)甚至阿秒(10-18秒)时间尺度下的动态过程;应用于量子科学，为量子态的表征和操控提供新方法;应用于生物与医学，为超高时空分辨率生物显微成像等领域带来革命性变革。

该成果的取得是华中科技大学光电信息学院与电气学院跨学科深度合作的结晶。这项研究的第一作者胡耀丹，现在就读于电气学院樊宽军教授团队，在研究中发挥了关键作用。正是这种跨学院、跨领域的合作模式，催生了这一具有突破性的研究成果。未来，团队将继续秉持开放合作的精神，积极拓展更多跨学科研究，以期在更多前沿领域取得更大的进展。

审核编辑 黄宇