Kürzlich hat das Team um Professor He Zuyuan, Professorin Fan Xinyu und Assistenzprofessor Wan Yangyang von der School of Integrated Circuits der Shanghai Jiao Tong University einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der computergestützten Spektropolarimetrie erzielt. Das Forschungsteam schlug eine neuartige Methode der computergestützten Spektropolarimetrie vor, die auf einem resonanten Leckmodus in einem Zufallsmedium basiert, etablierte ein einheitliches theoretisches Modell für computergestützte optische Messsysteme und entwickelte ein computergestütztes Spektropolarimeter, das eine extrem hohe Auflösung (20 fm), eine große Messbandbreite (150 nm) und Miniaturisierung vereint. Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement“ in der internationalen Spitzenzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die spektrale Auflösung erreicht 20 Femtometer (1 fm = 10⁻¹⁵ m), was der Unterscheidung von 7,5 Millionen unabhängigen Spektralkanälen innerhalb einer Messbandbreite von 150 nm entspricht. Dies ist die höchste öffentlich berichtete Auflösung im Bereich der computergestützten Spektropolarimetrie.

Hohe spektrale Auflösung und Miniaturisierung sind schwer zu vereinbaren

Spektrum und Polarisation sind die beiden wichtigsten Informationsdimensionen eines Lichtfeldes: Das Spektrum kann die Zusammensetzung von Stoffen und chemische Reaktionsprozesse widerspiegeln, während die Polarisation die Oberflächentextur, molekulare Chiralität und biologische Gewebestrukturen offenbart. Die Spektropolarimetrie, die beide Informationsarten gleichzeitig erfassen kann, hat unersetzliche Anwendungswerte in Bereichen wie Fernerkundung, Biomedizin, optischer Kommunikation, industrieller Inspektion und astronomischer Beobachtung.

Traditionelle Spektropolarimeter sind auf Gitter, Prismen, Scangeräte und komplexe Polarisationsanalysemodule angewiesen, was zu einem großen Systemvolumen und einer komplexen Struktur führt, die den zukünftigen Anforderungen optischer Instrumente an Miniaturisierung, Integration und hohe Leistung nur schwer gerecht werden.

In den letzten Jahren aufgekommene computergestützte Spektrometer und Polarimeter nutzen Zufallsmedien, um einzigartige Speckle-Informationen zu erzeugen, und realisieren die Lichtfeldmessung durch rechnerische Rekonstruktion. Dieser Bereich steht jedoch seit langem vor zwei entscheidenden Engpässen:

Mangel an einheitlicher theoretischer Anleitung: Die Leistung von Systemen, die mit verschiedenen Zufallsmedien aufgebaut wurden, variiert stark, und der Mechanismus, der die Auflösung bestimmt, ist unklar, was eine Optimierung des Strukturdesigns erschwert;

Hohe Leistung und kleine Größe sind schwer zu vereinbaren: Die bestehenden Technologien können nicht gleichzeitig eine extrem hohe spektrale Auflösung, eine große Messbandbreite und eine vollständige Polarisationsmessfähigkeit erreichen.

Vom „Blinden, der einen Elefanten ertastet“ zur „einheitlichen Formel“

Einheitliches theoretisches Modell: Enthüllung des Wesens der Auflösung

Das Forschungsteam etablierte zunächst ein einheitliches theoretisches Modell, das für computergestützte Messsysteme mit Zufallsmedien wie computergestützte Spektrometer und Polarimeter anwendbar ist, und löste damit das langjährige Dilemma, „zu wissen, dass es so ist, aber nicht zu wissen, warum es so ist“.

Wichtige Erkenntnis: Unabhängig davon, ob das Zufallsmedium aus Mehrmodenausbreitung, Mehrfachstreuung oder Mehrfachreflexion stammt, wird seine Messfähigkeit letztendlich durch die maximale optische Wegdifferenz (OPD) bestimmt, die innerhalb des Zufallsmediums gebildet werden kann. Die Theorie beweist, dass die kleinste spektrale Änderung, die das System auflösen kann, umgekehrt proportional zur OPD ist, d. h., je größer die OPD, desto höher die Auflösung. Dies bietet einen einheitlichen Bewertungsstandard für computergestützte Messsysteme und klärt die theoretische Richtung für die Optimierung des Designs von Zufallsmedien.

Resonante Leckmodus-Strategie: Schaffung eines „kilometerlangen optischen Weges“ auf millimetergroßem Raum

Unter der Anleitung der Theorie schlug das Team eine neuartige Architektur für ein computergestütztes Spektropolarimeter mit resonantem Leckmodus (RLM) vor, dessen Kerninnovationen sich auf zwei Ebenen manifestieren:

Erste Ebene: Konische kernlose Faser zur Anregung von Leckmoden höherer Ordnung

Die Studie verwendet eine konische kernlose Faser als Ersatz für die herkömmliche Multimode-Faser als Zufallsmedium. Das Lichtfeld in der konischen Struktur kann eine größere Anzahl von Leckmoden mit größeren Unterschieden in den Ausbreitungskonstanten anregen, wodurch die durch das System erzeugbare optische Wegdifferenz erheblich erhöht wird.

Zweite Ebene: Resonante Kopplung von Mikrokugel-Flüstergaleriemoden

Das Team führte weiterhin einen Mikrokugel-Resonator mit hohem Gütefaktor für Flüstergaleriemoden (WGM) ein, der eine komplexe resonante Kopplung mit den Leckmoden höherer Ordnung eingeht und den Lichtausbreitungspfad weiter verlängert. Dieses Design verstärkt die effektive optische Wegdifferenz innerhalb einer extrem kleinen Bauteilgröße erheblich und erzeugt eine komplexere Speckle-Antwort, die empfindlicher auf Wellenlängen- und Polarisationsänderungen reagiert.

Physikalisches Wesen: Das Licht wird wiederholt zwischen dem konischen Leckmodus und dem Mikrokugel-Resonanzmodus gekoppelt, was effektiv einem „kilometerlangen“ effektiven optischen Weg in einem physikalischen Raum von Millimetergröße entspricht.

Alle drei Indikatoren erreichen das international beste Niveau

Spektrale Auflösung: Von 1,5 pm auf 20 fm, eine Steigerung um das 75-fache

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die spektrale Auflösung des Systems nach der Einführung der WGM-Mikrokugelresonanz von ursprünglich 1,5 pm (Pikometer) auf 20 fm (Femtometer) gesteigert wurde, was einer Verbesserung um etwa das 75-fache entspricht. Eine Auflösung von 20 Femtometern bedeutet, dass das Instrument zwei Spektralsignale unterscheiden kann, deren Wellenlängen sich nur um zwei Millionstel Nanometer unterscheiden – dies ist die höchste öffentlich berichtete Auflösung im Bereich der computergestützten Spektropolarimetrie.

Polarisationsmessung: Vollständige Stokes-Rekonstruktion, mittlerer quadratischer Fehler von nur 4,732×10⁻⁶

In Bezug auf die Polarisationsmessung realisierte das System eine vollständige Rekonstruktion der Stokes-Polarisationsinformationen mit einem Gesamt-MSE von nur 4,732×10⁻⁶, was einer international fortschrittlichen Polarisationsmessgenauigkeit entspricht. Die Experimente bestätigten auch, dass das System gleichzeitig Spektral- und Polarisationsinformationen messen kann, was eine echte mehrdimensionale Lichtfeldmessung ermöglicht.

Bandbreiten-/Auflösungsverhältnis und Auflösungs-Größen-Produkt: Beide brechen Rekorde

Dank der unter theoretischer Anleitung optimierten Strategie für Zufallsmedien erzielte das Forschungsteam bei zwei Schlüsselleistungsindikatoren das international beste Niveau:

Dieses Ergebnis zeigt, dass die vorgeschlagene Methode den klassischen Kompromiss zwischen Auflösung, Bandbreite und Größe in der traditionellen Spektroskopie effektiv durchbrochen hat und einen völlig neuen Weg für die Entwicklung leistungsstarker miniaturisierter Spektropolarimeter eröffnet.

Breiter Raum für den Weg vom Labor zur Industrialisierung

Fernerkundung und astronomische Beobachtung

Die extrem hohe spektrale Auflösung und die Fähigkeit zur vollständigen Polarisationsmessung ermöglichen es dieser Technologie, äußerst feine spektrale Merkmale und Polarisationsinformationen von Erdoberflächenobjekten oder Himmelskörpern zu erfassen. In Bereichen wie der Überwachung atmosphärischer Spurengase, der vegetationsökologischen Fernerkundung und der Messung stellarer Magnetfelder bietet die Auflösung im Bereich von 20 Femtometern eine beispiellose Informationsdimension.

Biomedizin und klinische Diagnostik

Das miniaturisierte Spektropolarimeter könnte in Endoskope und tragbare Diagnosegeräte integriert werden, um Funktionen wie markerfreie histopathologische Analyse, Früherkennung von Krebs und kontinuierliche Blutzuckermessung zu ermöglichen. Die vollständige Stokes-Polarisationsmessung kann strukturelle Informationen wie die Kollagenanordnung und Zellmorphologieveränderungen offenlegen, die mit herkömmlicher Spektroskopie nur schwer zu erfassen sind.

Optische Kommunikation und industrielle Inspektion

In dichten Wellenlängenmultiplex-Systemen der optischen Kommunikation kann eine Auflösung von 20 fm die Wellenlängendrift jedes Kanals präzise überwachen. In industriellen Szenarien wie der Halbleiterfertigung, der Messung von Schichtdicken und der Überwachung chemischer Prozesse kann diese Technologie eine hochpräzise, Echtzeit-Mehrdimensionale Lichtfeldanalyse bieten.

Spektropolarimeter auf Chip-Ebene

Das vom Team erreichte Auflösungs-Größen-Produkt von 5 nm·μm² bedeutet, dass diese Technologie weiter in optische Sensoren auf Chip-Ebene integriert werden könnte, um Plattformen wie Smartphones, Wearables und Drohnen die Fähigkeit zur Spektral- und Polarisationsanalyse zu bieten, die bisher nur großen Instrumenten vorbehalten war.

Chinesisches Team leitet neues Paradigma der computergestützten optischen Messtechnik

Der Kernwert dieser Forschung liegt in der Durchgängigkeit der gesamten Innovationskette „Theoretisches Modell – Mediumdesign – Systemintegration – Leistungsdurchbruch“:

Theoretisch wurde erstmals ein einheitliches Modell etabliert, das die OPD als die wesentliche physikalische Größe identifiziert, die die Systemauflösung bestimmt;

Methodisch wurde mit dem resonanten Leckmodus eine neuartige Strategie für Zufallsmedien vorgeschlagen, die den Fluch der Unvereinbarkeit von hoher Leistung und Miniaturisierung in herkömmlichen Ansätzen durchbrochen hat;

Leistungsmäßig liegen die drei Indikatoren – 20 fm Auflösung, ein Bandbreiten-/Auflösungsverhältnis von 7,5×10⁶ und ein Auflösungs-Größen-Produkt von 5 nm·μm² – alle auf international führendem Niveau.

Diese Errungenschaft bietet nicht nur eine neue technische Route für die computergestützte Spektropolarimetrie, sondern legt auch eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung miniaturisierter, leistungsstarker optischer Instrumente und markiert den Eintritt Chinas in die internationale Spitzenforschung im Bereich der computergestützten optischen Messtechnik.