三維時空光場矢量特性的診斷裝置。

近日，華中科技大學電氣學院博士生胡耀丹以第一作者在國際期刊Nature Communications上發表論文“結構光場的高維單發壓縮感知測量”(High-dimensional one-shot optical field compressive sensing of structured light)。該研究首次實現了對任意光場進行單次曝光，同步解析其振幅、相位、偏振和波長等全部矢量信息，助力高維單次光場壓縮感知(HOOCS)研究。

光學探測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。它不僅是基礎科學研究的基石，更是工業制造、生物醫療、信息通信等領域的關鍵技術。長期以來，傳統的光學探測手段，如相機或光電探測器，都存在一個根本性的局限：它們通常只能捕獲光的二維空間強度，就好比只能拍攝一張靜態的二維照片。光場作為一種復雜的物理現象，其完整信息遠不止于此，還包括了三維時空中的振幅、相位、偏振以及波長等多個維度。

這種“信息維度”的缺失，使得我們無法完整、動態地表征許多復雜光場(如光學渦旋、矢量偏振光束等)，就像試圖通過一張二維照片來理解一個三維物體的所有細節和運動。因此，發展一種能夠一次性、全面表征光場所有維度信息的探測技術，是光學乃至整個物理學界亟待解決的關鍵難題。

正是為了應對這一挑戰，我校樊寬軍教授和李政言教授團隊展開了深入研究。他們創造性地將信息科學中的壓縮感知理論與精密光學測量技術相結合，成功突破了現有技術的局限，首次實現了單次測量就能完整解析光場所有維度的信息。這項突破將光學探測能力從“二維照片”時代，一舉推向了可以記錄光場“全息”狀態的高維電影時代。

均勻光場的三維時空偏振態特性：(a)三維時空光場結構;(b,d-e)生成的線偏振、左旋圓偏振及橢圓偏振的三維光強及時空偏振態;(c)非理想線性偏振飛秒激光脈沖的一維偏振態演化實測值及與理論計算之間的對比。

這項技術不僅在基礎理論上實現了突破，更具有廣泛的應用潛力。它為復雜光子態的精確操控和超快動態物理過程的實時觀測提供了全新的工具。未來，這項技術有望應用于超快物理，實時觀測飛秒(10-15秒)甚至阿秒(10-18秒)時間尺度下的動態過程;應用于量子科學，為量子態的表征和操控提供新方法;應用于生物與醫學，為超高時空分辨率生物顯微成像等領域帶來革命性變革。

該成果的取得是華中科技大學光電信息學院與電氣學院跨學科深度合作的結晶。這項研究的第一作者胡耀丹，現在就讀于電氣學院樊寬軍教授團隊，在研究中發揮了關鍵作用。正是這種跨學院、跨領域的合作模式，催生了這一具有突破性的研究成果。未來，團隊將繼續秉持開放合作的精神，積極拓展更多跨學科研究，以期在更多前沿領域取得更大的進展。

審核編輯 黃宇