Недавно команда профессора Хэ Цзуюаня, профессора Фань Синьюя и доцента Вань Янъяна из Школы интегральных схем Шанхайского университета Цзяо Тун (Китай) совершила значительный прорыв в области вычислительной спектрополяриметрии. Исследовательская группа предложила новый метод вычислительной спектрополяриметрии на основе случайной среды с резонансными модами утечки, создала единую теоретическую модель вычислительной оптической измерительной системы и разработала вычислительный спектрополяриметр, сочетающий сверхвысокое разрешение (20 фм), широкую полосу измерения (150 нм) и миниатюризацию. Соответствующие результаты были опубликованы в ведущем международном журнале Nature Communications под названием «Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement».

Спектральное разрешение достигает 20 фемтометров (1 фм = 10⁻¹⁵ м), что эквивалентно различению 7,5 миллионов независимых спектральных каналов в полосе измерения шириной 150 нм. Это самое высокое разрешение, официально зарегистрированное в области вычислительной спектрополяриметрии на сегодняшний день.

Трудность совмещения высокого спектрального разрешения и миниатюризации

Спектр и поляризация являются двумя наиболее важными измерениями светового поля: спектр отражает компонентный состав вещества и химические реакции, а поляризация раскрывает текстуру поверхности, молекулярную хиральность и структуру биологических тканей. Технология спектрополяриметрии, способная одновременно получать оба типа информации, имеет незаменимое прикладное значение в таких областях, как дистанционное зондирование, биомедицина, оптическая связь, промышленный контроль и астрономические наблюдения.

Традиционные спектрополяриметры, основанные на дифракционных решётках, призмах, сканирующих устройствах и сложных поляризационных анализирующих модулях, имеют громоздкие размеры и сложную структуру, что затрудняет удовлетворение будущих требований к миниатюризации, интеграции и высокой производительности оптических приборов.

В последние годы появились вычислительные спектрометры и поляриметры, которые используют случайные среды для создания уникальной спекл-информации и осуществляют измерение светового поля путём вычислительной реконструкции. Однако эта область долгое время сталкивалась с двумя ключевыми узкими местами:

Отсутствие единого теоретического руководства: производительность систем, построенных на разных случайных средах, сильно различается, механизм определения разрешения неясен, что затрудняет оптимизацию структуры;

Трудность совмещения высокой производительности и малых размеров: существующие технологии не могут одновременно обеспечить сверхвысокое спектральное разрешение, широкую полосу измерения и возможность полного поляризационного измерения.

От «слепцов, ощупывающих слона» к «единой формуле»

Единая теоретическая модель: раскрытие сущности разрешения

Исследовательская группа сначала создала единую теоретическую модель, применимую к вычислительным измерительным системам на случайных средах, таким как вычислительные спектрометры и поляриметры, решив давнюю проблему «знать, что это так, но не знать, почему это так».

Ключевое открытие: независимо от того, возникает ли случайная среда из-за многомодовой передачи, многократного рассеяния или многократного отражения, её измерительная способность в конечном итоге определяется максимальной оптической разностью хода (OPD), которая может быть сформирована внутри случайной среды. Теория доказывает, что минимальное разрешаемое спектральное изменение системы обратно пропорционально OPD, то есть чем больше OPD, тем выше разрешение. Это обеспечивает единый стандарт оценки для вычислительных измерительных систем и определяет теоретическое направление для оптимизации конструкции случайных сред.

Стратегия резонансных мод утечки: создание «километровой оптической длины пути» в миллиметровом пространстве

Руководствуясь теорией, команда предложила новую архитектуру вычислительного спектрополяриметра на основе резонансных мод утечки (RLM), ключевые инновации которой заключаются в двух аспектах:

Первый уровень: коническое безсердцевинное оптическое волокно возбуждает моды утечки высокого порядка

В исследовании в качестве случайной среды используется коническое безсердцевинное оптическое волокно вместо традиционного многомодового волокна. Световое поле в конической структуре может возбуждать большее количество мод утечки с большей разницей в постоянных распространения, что значительно увеличивает OPD, которую может сформировать система.

Второй уровень: резонансная связь с модами шепчущей галереи микросферы

Команда дополнительно ввела высокодобротный микрорезонатор с модами шепчущей галереи (WGM) в виде микросферы, который вступает в сложную резонансную связь с модами утечки высокого порядка, дополнительно удлиняя путь распространения света. Такая конструкция значительно увеличивает эффективную OPD в пределах устройства чрезвычайно малых размеров, генерируя более сложный спекл-отклик, более чувствительный к изменениям длины волны и поляризации.

Физическая сущность: свет многократно связывается между коническими модами утечки и резонансными модами микросферы, что эквивалентно реализации «километровой» эффективной оптической длины пути в миллиметровом физическом пространстве.

Все три показателя достигли лучшего в мире уровня

Спектральное разрешение: от 1,5 пм до 20 фм, улучшение в 75 раз

Экспериментальные результаты показывают, что после введения резонатора с модами WGM спектральное разрешение системы увеличилось с исходных 1,5 пм (пикометров) до 20 фм (фемтометров), то есть примерно в 75 раз. Разрешение в 20 фемтометров означает, что прибор способен различать два спектральных сигнала, длина волны которых отличается всего на две десятимиллионных нанометра — это самое высокое разрешение, официально зарегистрированное в области вычислительной спектрополяриметрии на сегодняшний день.

Поляризационные измерения: полная реконструкция Стокса со среднеквадратичной ошибкой всего 4,732×10⁻⁶

В области поляризационных измерений система реализовала полную реконструкцию поляризационной информации Стокса с общей среднеквадратичной ошибкой всего 4,732×10⁻⁶, что соответствует передовому международному уровню точности поляриметрии. Эксперименты также подтвердили способность системы одновременно выполнять измерения спектральной и поляризационной информации, реализуя по-настоящему многомерное измерение светового поля.

Отношение полосы пропускания к разрешению и произведение разрешения на размер: оба показателя побили рекорды

Благодаря стратегии оптимизации случайной среды под руководством теории, исследовательская группа достигла лучшего в мире уровня по двум ключевым показателям производительности:

Этот результат показывает, что предложенный метод эффективно преодолевает классический компромисс между разрешением, полосой пропускания и размером в традиционных спектральных измерениях, открывая новый путь для развития высокопроизводительных миниатюрных спектрополяриметров.

Широкие перспективы перехода из лаборатории в промышленность

Дистанционное зондирование и астрономические наблюдения

Сверхвысокое спектральное разрешение и возможность полного поляризационного измерения позволяют этой технологии улавливать чрезвычайно тонкие спектральные особенности и поляризационную информацию объектов на Земле или небесных тел. В таких областях, как мониторинг атмосферных следовых газов, дистанционное зондирование растительности и экосистем, измерение магнитных полей звёзд, разрешение на уровне 20 фемтометров может предоставить беспрецедентные информационные измерения.

Биомедицина и клиническая диагностика

Миниатюрный спектрополяриметр может быть интегрирован в эндоскопы и портативные диагностические устройства для выполнения безмаркерного патологического анализа тканей, раннего скрининга рака, непрерывного мониторинга уровня глюкозы и других функций. Полное измерение Стокса может выявить структурную информацию, такую как расположение коллагена и изменения морфологии клеток, которую трудно получить с помощью традиционной спектроскопии.

Оптическая связь и промышленный контроль

В системах оптической связи с плотным мультиплексированием по длине волны разрешение в 20 фм позволяет точно отслеживать дрейф длины волны каждого канала. В промышленных сценариях, таких как производство полупроводников, измерение толщины плёнок, контроль химических процессов, эта технология может обеспечить высокоточный, онлайн-анализ многомерного светового поля в реальном времени.

Чиповый спектрополяриметр

Достигнутое командой произведение разрешения на размер в 5 нм·мкм² означает, что эта технология может быть в дальнейшем интегрирована в чиповые оптические датчики, предоставляя таким платформам, как смартфоны, носимые устройства и дроны, возможности спектрополяриметрического анализа, которые ранее были доступны только для крупных приборов.

Китайская команда возглавляет новую парадигму вычислительной оптической метрологии

Основная ценность этого исследования заключается в создании полной инновационной цепочки «теоретическая модель — проектирование среды — системная интеграция — прорыв в производительности»:

Теоретически: впервые создана единая модель, раскрывающая OPD как фундаментальную физическую величину, определяющую разрешение системы;

Методологически: предложена новая стратегия случайной среды на основе резонансных мод утечки, разрушившая заклятие несовместимости высокой производительности и миниатюризации в традиционных подходах;

По производительности: разрешение 20 фм, отношение полосы пропускания к разрешению 7,5×10⁶, произведение разрешения на размер 5 нм·мкм² — все три показателя находятся на лидирующем международном уровне.

Этот результат не только предоставляет новый технический маршрут для вычислительной спектрополяриметрии, но и закладывает важную основу для развития будущих миниатюрных высокопроизводительных оптических приборов, знаменуя выход Китая на передовые позиции в мире в области вычислительной оптической метрологии.