Recientemente, el equipo de los profesores He Zuyuan, Fan Xinyu y Wan Yangyang de la Escuela de Circuitos Integrados de la Universidad Jiao Tong de Shanghái (China) logró un avance significativo en el campo de la espectropolarimetría computacional. El equipo de investigación propuso un nuevo método de espectropolarimetría computacional basado en un medio aleatorio de modo de fuga resonante, estableció un modelo teórico unificado para sistemas de medición óptica computacional y desarrolló un espectropolarímetro computacional que combina una resolución ultraalta (20 fm), un amplio ancho de banda de medición (150 nm) y una miniaturización. Los resultados se publicaron en la prestigiosa revista internacional Nature Communications bajo el título "Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement".

La resolución espectral alcanza los 20 femtómetros (1 femtómetro = 10⁻¹⁵ metros), lo que equivale a distinguir 7,5 millones de canales espectrales independientes dentro de un ancho de banda de medición de 150 nm. Esta es la resolución más alta reportada públicamente en el campo de la espectropolarimetría computacional hasta la fecha.

La alta resolución espectral y la miniaturización son difíciles de lograr simultáneamente

El espectro y la polarización son las dos dimensiones más importantes de la información del campo luminoso: el espectro puede reflejar la composición de las sustancias y los procesos de reacción química, mientras que la polarización revela la textura de la superficie de los objetos, la quiralidad molecular y la estructura de los tejidos biológicos. La tecnología de espectropolarimetría, que puede obtener simultáneamente estos dos tipos de información, tiene un valor de aplicación insustituible en campos como la detección remota, la biomedicina, las comunicaciones ópticas, la inspección industrial y la observación astronómica.

Los espectropolarímetros tradicionales dependen de rejillas, prismas, dispositivos de escaneo y módulos complejos de análisis de polarización, lo que resulta en sistemas voluminosos y de estructura compleja, difíciles de satisfacer las demandas futuras de miniaturización, integración y alto rendimiento en instrumentos ópticos.

En los últimos años, los espectrómetros y polarímetros computacionales emergentes utilizan medios aleatorios para generar información de moteado única, logrando la medición del campo luminoso mediante reconstrucción computacional. Sin embargo, este campo ha enfrentado durante mucho tiempo dos cuellos de botella clave:

Falta de una guía teórica unificada: El rendimiento de los sistemas construidos con diferentes medios aleatorios varía enormemente, y el mecanismo que determina la resolución no está claro, lo que dificulta la optimización del diseño estructural;

Dificultad para combinar alto rendimiento y tamaño pequeño: Las tecnologías existentes no pueden lograr simultáneamente una resolución espectral ultraalta, un amplio ancho de banda de medición y una capacidad de medición de polarización completa.

De "tocar al elefante a ciegas" a una "fórmula unificada"

Modelo teórico unificado: Revelando la esencia de la resolución

El equipo de investigación estableció primero un modelo teórico unificado aplicable a sistemas de medición computacional con medios aleatorios, como espectrómetros y polarímetros computacionales, resolviendo el dilema de "saber que funciona, pero no por qué".

Hallazgo clave: Independientemente de si el medio aleatorio se origina en transmisión multimodo, dispersión múltiple o reflexión múltiple, su capacidad de medición está determinada en última instancia por la diferencia de camino óptico máxima (OPD, por sus siglas en inglés) que puede formarse dentro del medio aleatorio. La teoría demuestra que el cambio espectral mínimo que el sistema puede resolver es inversamente proporcional a la OPD, es decir, cuanto mayor es la OPD, mayor es la resolución. Esto proporciona un estándar de evaluación unificado para los sistemas de medición computacional y aclara la dirección teórica para la optimización del diseño de medios aleatorios.

Estrategia de modo de fuga resonante: Creando un "camino óptico de kilómetros" en un espacio milimétrico

Guiado por la teoría, el equipo propuso una nueva arquitectura de espectropolarímetro computacional de modo de fuga resonante (RLM), con innovaciones clave en dos niveles:

Primer nivel: Fibra óptica sin núcleo cónica que excita modos de fuga de alto orden

El estudio utiliza una fibra óptica sin núcleo cónica en lugar de la fibra multimodo tradicional como medio aleatorio. El campo luminoso en la estructura cónica puede excitar un mayor número de modos de fuga con diferencias de constante de propagación más grandes, aumentando significativamente la diferencia de camino óptico que el sistema puede generar.

Segundo nivel: Acoplamiento resonante del modo de galería de susurros de microesferas

El equipo introdujo además una microcavidad de modo de galería de susurros (WGM) de alta calidad, que se acopla de manera compleja y resonante con los modos de fuga de alto orden, extendiendo aún más la trayectoria de propagación de la luz. Este diseño mejora significativamente la diferencia de camino óptico efectiva dentro de un tamaño de dispositivo extremadamente pequeño, generando respuestas de moteado más complejas y más sensibles a cambios en la longitud de onda y la polarización.

Esencia física: La luz se acopla repetidamente entre el modo de fuga cónico y el modo resonante de la microesfera, logrando efectivamente un "camino óptico de kilómetros" en un espacio físico milimétrico.

Tres indicadores alcanzan los mejores niveles internacionales

Resolución espectral: De 1,5 pm a 20 fm, una mejora de 75 veces

Los resultados experimentales muestran que, tras la introducción de la resonancia de la microesfera WGM, la resolución espectral del sistema mejoró de 1,5 pm (picómetros) a 20 fm (femtómetros), un aumento de aproximadamente 75 veces. Una resolución de 20 femtómetros significa que el instrumento puede distinguir dos señales espectrales cuyas longitudes de onda difieren en solo dos diezmilésimas de nanómetro, la resolución más alta reportada públicamente en el campo de la espectropolarimetría computacional.

Medición de polarización: Reconstrucción completa de Stokes con un error cuadrático medio de solo 4,732×10⁻⁶

En cuanto a la medición de polarización, el sistema logró la reconstrucción completa de la información de polarización de Stokes, con un error cuadrático medio general de solo 4,732×10⁻⁶, alcanzando un nivel de precisión de polarización de clase internacional. El experimento también verificó que el sistema puede realizar simultáneamente la medición de información espectral y de polarización, logrando una verdadera medición multidimensional del campo luminoso.

Relación ancho de banda/resolución y producto resolución-tamaño: Ambos establecen nuevos récords

Gracias a la estrategia de optimización de medios aleatorios guiada por la teoría, el equipo de investigación logró los mejores niveles internacionales en dos indicadores clave de rendimiento:

Este resultado muestra que el método propuesto supera efectivamente la clásica relación de compromiso entre resolución, ancho de banda y tamaño en la medición espectral tradicional, abriendo un nuevo camino para el desarrollo de espectropolarímetros miniaturizados de alto rendimiento.

Amplio espacio para la transición del laboratorio a la industria

Detección remota y observación astronómica

La resolución espectral ultraalta y la capacidad de medición de polarización completa permiten que esta tecnología capture características espectrales e información de polarización extremadamente sutiles de objetos terrestres o cuerpos celestes. En áreas como el monitoreo de gases traza atmosféricos, la teledetección de la vegetación ecológica y la medición de campos magnéticos estelares, la resolución de 20 femtómetros puede proporcionar una dimensión de información sin precedentes.

Biomedicina y diagnóstico clínico

El espectropolarímetro miniaturizado tiene el potencial de integrarse en endoscopios y dispositivos de diagnóstico portátiles, permitiendo el análisis histopatológico sin marcadores, la detección temprana del cáncer y el monitoreo continuo de la glucosa en sangre. La medición completa de Stokes puede revelar información estructural, como la disposición del colágeno y los cambios en la morfología celular, que es difícil de obtener con la espectroscopia tradicional.

Comunicaciones ópticas e inspección industrial

En sistemas de comunicación óptica de multiplexación por división de longitud de onda densa, una resolución de 20 fm puede monitorear con precisión la desviación de longitud de onda de cada canal. En escenarios industriales como la fabricación de semiconductores, la medición del espesor de películas delgadas y el monitoreo de procesos químicos, esta tecnología puede proporcionar capacidades de análisis de campo luminoso multidimensional de alta precisión y en tiempo real.

Espectropolarímetro a nivel de chip

El producto resolución-tamaño de 5 nm·μm² logrado por el equipo significa que esta tecnología tiene el potencial de integrarse aún más en sensores ópticos a nivel de chip, proporcionando a plataformas como teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y drones capacidades de análisis espectropolarimétrico que antes solo eran posibles con instrumentos grandes.

El equipo chino lidera un nuevo paradigma en la medición óptica computacional

El valor central de esta investigación radica en haber completado la cadena de innovación completa de "modelo teórico - diseño del medio - integración del sistema - avance del rendimiento":

Teóricamente, se estableció por primera vez un modelo unificado, revelando que la OPD es la cantidad física fundamental que determina la resolución del sistema;

Metodológicamente, se propuso la nueva estrategia de medio aleatorio de modo de fuga resonante, rompiendo la maldición de que el alto rendimiento y la miniaturización son difíciles de lograr simultáneamente en los esquemas tradicionales;

En cuanto al rendimiento, la resolución de 20 fm, la relación ancho de banda/resolución de 7,5×10⁶ y el producto resolución-tamaño de 5 nm·μm², los tres indicadores se encuentran en la vanguardia internacional.

Este logro no solo proporciona una nueva ruta técnica para la espectropolarimetría computacional, sino que también sienta una base importante para el desarrollo futuro de instrumentos ópticos miniaturizados y de alto rendimiento, marcando la entrada de China en la vanguardia internacional en el campo de la medición óptica computacional.