近日，《光學(xué)與光子學(xué)新聞》（Optics & Photonics News， OPN）回顧近一年來(lái)發(fā)表的最有趣的光學(xué)和光子學(xué)研究，本年度選擇30個(gè)“有趣的故事”來(lái)反映光學(xué)和光子科學(xué)和工程領(lǐng)域的工作進(jìn)展。《光電信息簡(jiǎn)報(bào)》對(duì)這30項(xiàng)進(jìn)展進(jìn)行了編譯。

1、定制焦散技術(shù)（Customizing Causitics）

焦散技術(shù)（Causitics）——由曲面或物體反射或折射光線的包絡(luò)技術(shù)，即光線強(qiáng)度聚焦的界面，出現(xiàn)在彩虹和通過(guò)酒杯水面折射的光線等背景中。在其美麗圖像之下，焦散表現(xiàn)出強(qiáng)度奇點(diǎn)，可以分為復(fù)雜的類別。盡管焦散物質(zhì)具有吸引人的傳播特性，包括彎曲、加速和超聚焦光，但它們很少被人為地產(chǎn)生或用來(lái)作為結(jié)構(gòu)光構(gòu)建的基本實(shí)體。

圖1.焦散結(jié)構(gòu)嵌入到光束傳播的橫向不變概念圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光束界面

一種特別有趣的橫向結(jié)構(gòu)光由所謂的傳播不變或非衍射光束組成，它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中具有固定的橫向強(qiáng)度分布，并具有魯棒和自修復(fù)的特征。這些光束徹底革新了用超快激光器加工納米材料的工藝，包括高寬比的切割和溝道鉆孔。它們的魯棒傳播可以減少光束畸變，最大限度地減少制造缺陷。 在傳播不變光束中，貝塞爾（Bessel）和艾利（Airy）光束是焦散的基本組成。 焦散特征是橫向平面中高強(qiáng)度集中的原因，使這些光束非常適合材料加工，它們的魯棒和自修復(fù)性大大改善了光學(xué)薄片顯微鏡和三維陷阱等應(yīng)用。

然而，未來(lái)有可能需要任意結(jié)構(gòu)和用高強(qiáng)度梯度來(lái)控制傳播不變光束的形狀。不幸的是，大多數(shù)焦散光束并不是自然無(wú)衍射的。 為了滿足這一需要，科研人員最近開(kāi)發(fā)了一種通用的方法來(lái)設(shè)計(jì)、定制和制造具有任意橫向形狀的結(jié)構(gòu)焦散光。他們使用了一個(gè)智能光束設(shè)計(jì)，有利地結(jié)合了尖銳焦散邊界的高強(qiáng)度特征和傳播不變性。已經(jīng)展示了各種傳播不變的形狀，如線形、拋物線形或類星形，但也有復(fù)雜的形狀，如字母。這些強(qiáng)度結(jié)構(gòu)在擾動(dòng)下是魯棒的，這可能使它們對(duì)安全的高維量子通信具有吸引力。該方法由一束自然光束產(chǎn)生出一組完整的定制的、結(jié)構(gòu)傳播不變的焦散光，強(qiáng)度集中在任何期望的邊緣曲線周圍。它滿足了在波動(dòng)物理所有領(lǐng)域，包括連續(xù)波或脈沖光、電子束、聲波或彈性波等領(lǐng)域定制高強(qiáng)度分布的需要，并為具有復(fù)雜形狀和可控能量沉積的先進(jìn)高分辨率納米加工工藝展示出很有前途的前景。

2、光分支流（Branch flow）

分支流（Branch flow）是一種普遍的波浪現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，波浪形成強(qiáng)度增強(qiáng)的通道，隨著它們的傳播而不斷分裂，從而形成一種類似于樹(shù)枝的美麗圖案。 它發(fā)生在波以平滑、無(wú)序的勢(shì)傳播時(shí)，相關(guān)長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)。

圖2. 左上角：從肥皂膜反射的白光的真彩色干擾圖。左下角：折射率分布成像的膜厚度重建。中心：觀察到的平面波的分支光流。右：當(dāng)窄光束入射到膜中時(shí)，觀察到的分支光流，形成窄的、高強(qiáng)度的分支，在無(wú)序介質(zhì)中保持長(zhǎng)距離的聚焦。

在高散射介質(zhì)中，支流基本上構(gòu)成了通道傳輸和擴(kuò)散傳輸之間的中間狀態(tài)。 首先觀察到電子的情況，分支流動(dòng)可以發(fā)生在幾乎任何類型的波中。例如，它已在微波腔中觀察到，并被提出作為海嘯波的聚焦機(jī)制。 最近，科研人員提出了分支光流的實(shí)驗(yàn)觀察。該方案依賴于激光束在薄液體膜--肥皂膜內(nèi)傳播。膜作為二維（平板）波導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)，支持單一的波導(dǎo)模。膜的局部厚度變化導(dǎo)致有效折射率的顯著變化。為了觀察光分支流，科研人員操縱肥皂膜來(lái)構(gòu)建光滑厚度變化的無(wú)序分布，形成無(wú)序的相關(guān)能量。 從這些實(shí)驗(yàn)中，提取到了光分支流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。通過(guò)將平面波入射到無(wú)序膜中，證明了到第一分支的平均距離與測(cè)得的能量相關(guān)長(zhǎng)度和強(qiáng)度計(jì)算的預(yù)測(cè)位置相匹配，遵守普遍規(guī)律。此外，通過(guò)使用窄束激勵(lì)，科研人員觀察到由于能量的相關(guān)性，分支強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)顯示出重尾概率分布。最后，科研人員發(fā)現(xiàn)這些分支是高度無(wú)衍射的，在均勻介質(zhì)中保持聚焦距離遠(yuǎn)大于相同寬度光束的衍射長(zhǎng)度。

將分支流引入光學(xué)，為許多新的思想打開(kāi)了大門，例如非線性介質(zhì)中的分支流、彎曲空間中的分支流或有得失的系統(tǒng)中的分支流。肥皂膜的不穩(wěn)定性質(zhì)和高度強(qiáng)烈的分支帶來(lái)了一種新的狀態(tài)，即分支光流可能觸發(fā)極端非線性現(xiàn)象或通過(guò)輻射壓力和梯度力產(chǎn)生相互作用和影響無(wú)序狀態(tài)。 研究機(jī)構(gòu)： l Technion–Israel Institute of Technology， Haifa， Israel l CREOL， The College of Optics and Photonics， University of Central Florida， USA

3、氣體中的巨大布里淵放大

空心光子晶體光纖被認(rèn)為是未來(lái)光通信的支柱。這些纖維具有較低的傳輸損耗，這與較低的延遲、更寬的光譜傳輸、較高的功率損傷閾值、較低的非線性和較低的色散有關(guān)。2020年，英國(guó)南安普敦大學(xué)將空心光纖的損耗降低到0.28db/km，這個(gè)值接近標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的損耗極限。

圖3. 在不同壓力下填充CO2氣體的空心芯纖維中獲得的布里淵增益與固體芯二氧化硅纖維的增益比較

空心芯纖維的低損耗特性都是由于光子與致密纖維材料之間的相互作用要低得多。雖然這大大減少了損失，但它也使得通過(guò)光-物質(zhì)相互作用影響光非常困難，因此，大大減少了直接光放大的可能性。今年，該團(tuán)隊(duì)為這個(gè)難題提供了一個(gè)有效的解決方案。工作中，他們直接在填充空心芯光纖的氣體介質(zhì)（如空氣）中使用受激布里淵散射來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光放大，其系數(shù)為20萬(wàn)倍。

他們還證明，空心芯光纖的增益可以比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖強(qiáng)得多，并且確實(shí)可以優(yōu)于波導(dǎo)材料中的任何非線性增益。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)這些纖維中的峰值增益與氣體壓力的平方成正比，結(jié)果是，在氣體壓力只有幾十巴的情況下，實(shí)際上超過(guò)了在固體材料中觀察到的布里淵增益。 基于這一原理，該團(tuán)隊(duì)還表明，受激布里淵散射的所有先進(jìn)應(yīng)用（如光纖激光、分布式傳感和光脈沖時(shí)間調(diào)制）都可以很容易地在空心光纖中實(shí)現(xiàn)，且效率更高。他們演示了一種氣體激光器，首次基于光聲相互作用，它可以在任何波長(zhǎng)下工作，從紫外線到中紅外。采用空心芯光纖的分布式傳感顯示出前所未有的溫度精度和空間分辨率。它還有一關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，以前空心光纖因存在完全自由的應(yīng)變——溫度交叉敏感性而在布里淵光纖傳感中不可用，因?yàn)闅怏w對(duì)施加在光纖上的應(yīng)變不敏感。 研究機(jī)構(gòu)： l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne， Switzerland

4、高通量MHz真空紫外光源

真空紫外（VUV）光譜區(qū)域，從大約6到15eV，是唯一能夠探測(cè)物理和化學(xué)過(guò)程的，因?yàn)閹缀跛蟹肿雍筒牧系碾婋x能都在這個(gè)能量范圍內(nèi)。因此，許多尖端光譜儀使用VUV光。包括角度分辨光電發(fā)射光譜（ARPES），它研究材料和表面的電子結(jié)構(gòu)，以及光電離質(zhì)譜法（PIMS），識(shí)別復(fù)雜混合物中的分子。

圖4.獨(dú)特的高通量超快VUV源高級(jí)聯(lián)諧波發(fā)生

不幸的是，這種實(shí)驗(yàn)的范圍是有限的，因?yàn)楹苌儆懈咄康腣UV光束存在。 同步加速器設(shè)施以高脈沖重復(fù)頻率提供明亮的VUV光，在廣泛的光子能量范圍內(nèi)具有高能量分辨率。然而，這些設(shè)施的使用有限，科研人員必須攜帶樣品前往。氘燈可以進(jìn)入VUV區(qū)域，大約10eV，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)與單色器一起使用時(shí)，太暗了。最后，Nd：YAG激光器的九次諧波可以在一個(gè)簡(jiǎn)單、魯棒的裝置中提供明亮、相干和單色光束，但具有較低的重復(fù)頻率。 在ARPES和PIMS中應(yīng)用的理想VUV光源將具有高通量、高重復(fù)頻率（MHz）、輸出UV到至少15eV能量范圍的光子，以及可變能量和時(shí)間分辨率。

今年，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種高級(jí)聯(lián)諧波生成（HCHG）技術(shù)，以解決這一挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)通過(guò)紅外光纖激光器的上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生UV和VUV譜線，使得每個(gè)諧波都有助于形成更高的諧波。通過(guò)將兩種顏色（10W平均功率，Yb：光纖激光器的基波和二次諧波）聚焦到氙氣填充、負(fù)曲率空心芯光纖中，并通過(guò)調(diào)整氙氣壓力以提供最佳的相位匹配，產(chǎn)生了3次到15次的偶數(shù)和奇數(shù)諧波。該工藝所需的峰值強(qiáng)度約為2×1012W/cm2，約比常規(guī)高諧波生成所需的峰值強(qiáng)度低50倍。

正如擾動(dòng)級(jí)聯(lián)相互作用所預(yù)期的那樣，每個(gè)諧波處的通量隨諧波次數(shù)的提高而減小。然而，在每秒1012到1016個(gè)光子時(shí)，該光源在光子能量高達(dá)10.8eV的情況下可與帶寬類似的同步輻射光源競(jìng)爭(zhēng)。 這種VUV源的高重復(fù)頻率可以最大限度地減少空間電荷效應(yīng)、偽重合（false coincidences）和探測(cè)器死區(qū)時(shí)間。最后，小的VUV源尺寸能在一個(gè)緊湊的單色器中實(shí)現(xiàn)高能量分辨率。這種分辨率對(duì)于解決緊密間隔的光譜帶或提供明確的目標(biāo)識(shí)別至關(guān)重要。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Colorado at Boulder， CO， USA l KMLabs Inc.， Boulder， CO， USA l University of Colorado at Boulder and KMLabs Inc.， Boulder， CO， USA l Sandia National Laboratories， USA

５、自由電子量子光學(xué)

圖5.相對(duì)論相干電子和光的空穴增強(qiáng)耦合。 左：在超快電子顯微鏡下，光子晶體板中的電子-光相互作用、電子映射的光學(xué)能帶結(jié)構(gòu)和Bloch模式的亞波長(zhǎng)成像。 右：局域電子探針與微球中的whispering-gallery模相互作用，模的空間和時(shí)間成像，以及相干拓寬每個(gè)電子能量帶寬的高階光子交換。

今年，科研人員證明了光子腔可以使電子和光的耦合強(qiáng)度增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 研究了一種光子晶體腔（PhC）和一種光學(xué)whispering-gallery模（WGM）微諧振器，這是兩種廣泛使用的光子腔。在PhC中，增強(qiáng)表現(xiàn)為相互作用的記錄效率，只需要微微焦耳脈沖能量。他們光學(xué)抽運(yùn)了PhC，并使用電子探針在空間和時(shí)間上對(duì)模式成像，同時(shí)還恢復(fù)了完整的光學(xué)能帶結(jié)構(gòu)。在WGM諧振器中，他們有效地將激光耦合到微球腔模式，并實(shí)現(xiàn)了與每個(gè)電子相干交換的光子量子的極值。應(yīng)用幾納米寬的電子探針，分析了局部WGM譜密度，并繪制了其場(chǎng)分布。還用電子來(lái)探測(cè)兩個(gè)光子腔的環(huán)形時(shí)間。

極有效的電子-光耦合導(dǎo)致電子同時(shí)吸收和發(fā)射數(shù)百個(gè)光子。產(chǎn)生一個(gè)相干電子能量梳，延伸到數(shù)百個(gè)電子伏特。這些效應(yīng)是通過(guò)大幅度延長(zhǎng)相互作用的長(zhǎng)度和持續(xù)時(shí)間，結(jié)合電子速度和光相速度沿電子軌跡在數(shù)百微米上的精確匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 未來(lái)的高Q腔，結(jié)合相匹配的相互作用，將使強(qiáng)的電子-光耦合和自由電子的量子光學(xué)。 微諧振器和其他光子腔代表了許多關(guān)鍵構(gòu)件中的第一個(gè)，這些構(gòu)件可以將電子束與先進(jìn)的光子技術(shù)集成在一起。這將加強(qiáng)光子學(xué)和分析電子顯微鏡的結(jié)合。 研究機(jī)構(gòu)： l Technion–Israel Institute of Technology， Haifa， Israel l University of G?ttingen and Max Planck Institute for Biophysical Chemistry， G?ttingen， Germany l école Polytechnique Fédérale de Lausanne， Switzerland

６、超快控制微激光器

傳統(tǒng)上，超快全光開(kāi)關(guān)依賴于光學(xué)材料中的非線性響應(yīng)。這些微小的影響通常需要一個(gè)額外的諧振器來(lái)增強(qiáng)光-物質(zhì)的相互作用并降低能量損耗。 然而，共振壽命與Q?ω成正比，影響環(huán)形時(shí)間，限制了響應(yīng)時(shí)間。這對(duì)全光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并在超低能耗和超快響應(yīng)之間進(jìn)行了權(quán)衡。一個(gè)潛在的解決方案是具有低質(zhì)量（Q）因素和超小有效模式體積的等離子體納米腔。不幸的是，金屬的本征吸收意味著等離子體開(kāi)關(guān)具有巨大的耦合和傳播損失，超過(guò)19dB。 最近，該團(tuán)隊(duì)演示了一種替代的全光開(kāi)關(guān)方法，可以打破這一長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)：一種基于連續(xù)體（BICs）拓?fù)浔Ｗo(hù)光束縛態(tài)物理的方法。BICs提供的非常大的Q因子可以促進(jìn)光子結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁波的巨大響應(yīng)，從而增強(qiáng)近場(chǎng)增強(qiáng)。此外，對(duì)稱保護(hù)的BIC對(duì)局部對(duì)稱擾動(dòng)非常敏感。這意味著，通過(guò)考慮外部激發(fā)和光學(xué)增益之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，人們可以使用泵浦剖面來(lái)控制拓?fù)浔Ｗo(hù)的BICs的遠(yuǎn)場(chǎng)激光剖面。

圖6.頂部：兩束時(shí)空分離的激光束泵浦樣品。 底部：從甜甜圈（donut）光束剖面到兩個(gè)裂片（lobes）（左）、從兩個(gè)裂片到一個(gè)甜甜圈（中心）的過(guò)渡，以及從甜甜圈到兩個(gè)裂片和回到甜甜圈（右）的完整過(guò)程。

對(duì)于方形周期晶格，拓?fù)浔Ｗo(hù)的BIC激光器出現(xiàn)在Г點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)用圓形光束泵浦時(shí)，增益面積保持四倍對(duì)稱性，并產(chǎn)生具有甜甜圈（donut）光束輪廓的BIC激光器。一旦增益區(qū)域退化到雙重對(duì)稱性，輸出就會(huì)迅速切換到兩個(gè)裂片（lobes）。 相應(yīng)的時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)渡過(guò)程發(fā)生在1到1.5ps，數(shù)量級(jí)快于相應(yīng)的微激光的壽命。 這種超快控制歸因于先前忽略的BICs的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。BIC微激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布由輻射信道的破壞性干涉決定。因此，遠(yuǎn)場(chǎng)剖面中的過(guò)渡過(guò)程只需要重新分配激光發(fā)射，而不是要求激光模式的開(kāi)關(guān)。 該工作表明，開(kāi)關(guān)時(shí)間可以獨(dú)立于共振壽命。通過(guò)進(jìn)一步利用BICs的超高Q因子，可以大大降低激光閾值。因此，超低能耗與超快響應(yīng)之間的權(quán)衡最終可能被打破。他們認(rèn)為這種新的交換機(jī)制可能對(duì)光學(xué)和量子計(jì)算產(chǎn)生重大影響。 研究機(jī)構(gòu)： l Harbin Institute of Technology， Shenzhen， China l Australian National University， Canberra， Australia

7、超高速時(shí)頻信號(hào)處理

動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)頻譜分析（RT-SA）和高速寬帶波形處理是許多重要應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括寬帶通信和雷達(dá)技術(shù)、超快表征、傳感和光譜以及射電天文學(xué)研究。這些應(yīng)用需要實(shí)時(shí)計(jì)算傳入時(shí)間信號(hào)的傅里葉變換（FT）。此外，這種計(jì)算必須以連續(xù)和無(wú)間隙的方式進(jìn)行（即在采集或處理中沒(méi)有停頓時(shí)間），在GHz范圍以上的瞬時(shí)頻率帶寬上進(jìn)行，時(shí)間分辨率為幾納秒或更短。 這些性能指標(biāo)超出了現(xiàn)有RT-SA解決方案的范圍，包括最先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方法。 在其他潛在的模擬處理方案中，色散誘導(dǎo)的頻率到時(shí)間成像使RT-SA具有短的、孤立的脈沖樣信號(hào)，但它不能擴(kuò)展到實(shí)踐中最常發(fā)現(xiàn)的連續(xù)波形。 最近，他們克服了這一限制，提出并演示了一種通用的模擬信號(hào)處理體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意（甚至無(wú)限長(zhǎng)）輸入波形的無(wú)間隙短時(shí)傅里葉變換或光譜圖的直接和連續(xù)時(shí)間成像——全動(dòng)態(tài)傅里葉分析或聯(lián)合時(shí)頻（T-F）信號(hào)表示的主要方法。

圖7. 時(shí)間成像譜圖概念下，被測(cè)信號(hào)（SUT）的時(shí)間采樣具有采樣周期TR，產(chǎn)生一組SUT的頻移副本。

隨后，通過(guò)頻率相關(guān)（色散）延遲單元，這些頻移光譜拷貝（間隔ωr=2π/TR）相對(duì)于彼此延遲了一個(gè)量TR。 同時(shí)延遲和頻移副本之間的干涉產(chǎn)生了1D時(shí)間模式，遵循SUT的2D短時(shí)傅里葉變換或光譜圖，以連續(xù)的、無(wú)間隙的方式進(jìn)行。 所提出的方法，稱為時(shí)間成像光譜圖（TM-SP），是驚人的簡(jiǎn)單。它包含短脈沖時(shí)間采樣的適當(dāng)組合，其次是色散延遲。

TM-SP利用了色散誘導(dǎo)的時(shí)間Talbot或自成像效應(yīng)的深厚數(shù)學(xué)。利用這一概念，他們?cè)O(shè)計(jì)并演示了一種基于光子學(xué)的方案，在接近5GHz的瞬時(shí)頻率帶寬上實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無(wú)間隙的寬帶微波信號(hào)RT-SA，時(shí)間分辨率可降至幾納秒，計(jì)算速度為每秒近50億次傅里葉變換（FTs）。 這種性能超出了現(xiàn)有解決方案的能力，滿足了廣泛領(lǐng)域的關(guān)鍵需求。 此外，所提出的概念提供了直接訪問(wèn)物理時(shí)域中被分析波形的全聯(lián)合T-F分布，從而為寬帶波形的實(shí)時(shí)分析和處理提供了全新的可能性。 研究機(jī)構(gòu)： l Institut National de la Recherche Scientifique–énergie， Matériaux et Télécommunications （INRS–EMT）， Montréal， Québec， Canada l Université Laval， Québec， G1V 0A6， Canada l INRS–EMT， Canada l Université Grenoble Alpes， Grenoble， France

８、硅光子學(xué)中的單向器件

在自由空間光學(xué)中，傳統(tǒng)的單向性和隔離是通過(guò)偏置磁光材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種技術(shù)缺乏CMOS兼容性。在最近的工作中，該團(tuán)隊(duì)將最先進(jìn)的制造和逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)硅集成器件中無(wú)偏置、低損耗單向傳輸。 該方法基于一種單向性的替代途徑，涉及光學(xué)非線性和幾何不對(duì)稱。在非對(duì)稱雙口諧振器中，腔內(nèi)強(qiáng)度（對(duì)于給定的輸入功率）取決于激勵(lì)方向。強(qiáng)χ非線性，如硅中的克爾效應(yīng)，引起諧振器頻率的移動(dòng)，其大小取決于存儲(chǔ)強(qiáng)度，因此取決于激勵(lì)端口。由于諧振器頻率控制端口到端口的傳輸，這種機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)在一定功率范圍內(nèi)的大的單向性，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)成高度不對(duì)稱的Fano波面時(shí)。雖然僅限于特定形式的激發(fā)，但這種方法是有吸引力的，因?yàn)樗恍枰獠科脠?chǎng)，并且可以在標(biāo)準(zhǔn)集成光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)。

圖8. 左：?jiǎn)苇h(huán)設(shè)備（頂部）和級(jí)聯(lián)設(shè)備（底部）的掃描電子顯微（SEM）圖像。右上角：幾個(gè)單環(huán)（藍(lán)點(diǎn)）和級(jí)聯(lián)（紅點(diǎn)）設(shè)備的傳輸與單向功率范圍性能。單環(huán)設(shè)備必須放置在陰影區(qū)域。

該裝置的幾何結(jié)構(gòu)由一個(gè)單環(huán)諧振器組成，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)的耦合器側(cè)耦合到波導(dǎo)。背景反射率和幾何不對(duì)稱性可由耦合器的幾何形狀及其沿波導(dǎo)的位置任意變化。他們演示了在4.5dBm（毫瓦分貝，以600歐姆1毫瓦為零電平的分貝）的功率范圍內(nèi)大于20dB的傳輸對(duì)比度，以及記錄低插入損耗1.1dB。 重要的是，單向性發(fā)生的正向傳輸和功率范圍不是獨(dú)立的參數(shù)，不能同時(shí)最大化?？蒲腥藛T通過(guò)表征不同的器件提供了該結(jié)論的第一次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。背景反射率的精確控制，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)的反射器獲得，允許他們根據(jù)需要優(yōu)化這兩個(gè)參量。 為了更好地平衡這種單向傳輸/功率范圍，繼先前的工作之后，他們實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)在第一個(gè)硅環(huán)的特定距離上添加第二個(gè)硅環(huán)可以克服這一束縛。這種級(jí)聯(lián)設(shè)備的特點(diǎn)是單向的功率范圍為6.3dB和前向傳輸高達(dá)98%，很大程度上超越了單諧振器。這些無(wú)源、無(wú)偏置的單向器件對(duì)于保護(hù)脈沖源特別有用，并且非常適合渡越時(shí)間（time-of-flight）激光雷達(dá)系統(tǒng)，正如他們?cè)谠碜C明中所示。 研究機(jī)構(gòu)： l Stanford University， Stanford， CA， USA l CUNY Advanced Science Research Center， New York， NY， USA

9、模塊化片上混合等離子體

等離子體器件難以集成的原因在于它們對(duì)金屬的使用，這些金屬是損耗性的。許多光在幾個(gè)波長(zhǎng)的傳播后被吸收，這限制了多元素的設(shè)計(jì)。混合等離子體精致地將金屬和介質(zhì)結(jié)合在一起，通過(guò)在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光子小型化，同時(shí)最小化損耗，減輕了這些限制。然而，到目前為止，大多數(shù)設(shè)計(jì)仍然只涉及一次一個(gè)光子函數(shù)。一種模塊化的等離子體處理方法，一種能夠?qū)⒉煌慕饘俨考M裝到現(xiàn)有芯片上以增強(qiáng)其功能的方法，在很大程度上是缺乏的。

圖9. 頂部：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)原理圖，和兩個(gè)混合等離子體電路模塊。 第一種形成有效的光子到等離子體旋轉(zhuǎn)（綠色）；第二種形成納米聚焦（紅色）。納米聚焦頂點(diǎn)在金納米點(diǎn)（紫色）產(chǎn)生二次諧波）。底部：制作裝置的掃描電子顯微（SEM）頂部視圖

科研人員今年的工作表明，由混合等離子體二氧化硅/金納米層結(jié)構(gòu)形成的兩個(gè)不同的等離子體元件可以在標(biāo)準(zhǔn)的近紅外硅光子波導(dǎo)上進(jìn)行后處理。第一等離子體元件只在幾個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)有效地旋轉(zhuǎn)入射偏振；第二分量將入射光聚焦到深亞波長(zhǎng)模式體積。在這個(gè)過(guò)程中，已經(jīng)顯示出強(qiáng)烈增強(qiáng)的二次諧波產(chǎn)生在金納米點(diǎn)（nanotip），它的頂點(diǎn)約為10nm。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)使他們能夠估計(jì)，相對(duì)于等效的金條，納米點(diǎn)的光強(qiáng)增強(qiáng)了100倍以上。這三種功能：等離子體旋轉(zhuǎn)、納米聚焦和非線性增強(qiáng)都發(fā)生在小于10μm光傳播的長(zhǎng)度上，而傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 該技術(shù)在基于芯片的納米顯微鏡、非線性和原子尺度傳感、納米連接以及納米太赫茲源和探測(cè)器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該模塊化方法從根本上使混合等離子體技術(shù)更容易獲得。 研究機(jī)構(gòu)： l The University of Sydney， Sydney， Australia

10、石墨烯等離子體的極端中紅外光捕獲

中紅外和太赫茲光譜范圍在分子和生物傳感、食品檢驗(yàn)和危險(xiǎn)材料識(shí)別等領(lǐng)域至關(guān)重要，因?yàn)樵S多分子共振存在于光譜的這一部分。例如檢測(cè)分子特征需要一個(gè)較強(qiáng)的光場(chǎng)，這可以通過(guò)將光場(chǎng)聚焦到小尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這種限制仍然受到眾所周知的衍射極限的限制。最近，該團(tuán)隊(duì)利用石墨烯等離子體（GPs）的特性，擴(kuò)展了檢測(cè)這種特征的工具包。 在石墨烯片內(nèi)與電荷載流子振蕩耦合的電磁場(chǎng)振蕩，可以實(shí)現(xiàn)中紅外和太赫茲光的特殊限制。此外，如果金屬表面靠近石墨烯，它會(huì)屏蔽現(xiàn)有的GPs，并產(chǎn)生更大的壓縮，達(dá)到約自由空間波長(zhǎng)的1/300。然而，激發(fā)GPs是具有挑戰(zhàn)性的，因此將它們的觀測(cè)限制在微米尺度的結(jié)構(gòu)上。這反過(guò)來(lái)又使他們的禁閉能力降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖10. 用于中紅外光約束的納米空腔。 左：石墨烯等離子體磁共振（GPMR）系統(tǒng)支持限制在金屬納米立方體和石墨烯片之間的紅外石墨烯等離子體。 右：歸一化模式體積，vmode/vfree-space，對(duì)于GPMR系統(tǒng)，它達(dá)到超過(guò)10億，并且比等效的VIS/NIR系統(tǒng)小4個(gè)數(shù)量級(jí)。

在該工作中，科研人員開(kāi)發(fā)了一種新的方法來(lái)為GPs創(chuàng)建納米腔。在石墨烯片的頂部沉積了尺寸約為75nm的隨機(jī)放置的銀立方體。石墨烯/納米立方體系統(tǒng)以石墨烯等離子體磁共振（GPMR）的形式支持受限的GP模式。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銀納米顆粒的濃度變化但大小保持不變時(shí)，只有響應(yīng)的振幅發(fā)生變化，而不同尺寸的納米顆粒產(chǎn)生不同的光譜響應(yīng)。 因此，單個(gè)納米顆粒的性質(zhì)決定了光學(xué)響應(yīng)。每個(gè)納米立方體作為GPs的單個(gè)空腔，將它們壓縮到石墨烯和納米立方體之間的納米尺度體積中。使用這種方法，GPs被壓縮到比中紅外光的自由空間模式體積小10億倍以上的體積。 有趣的是，盡管中紅外光的微米尺度波長(zhǎng)與納米尺度立方體之間存在很大的不匹配，他們發(fā)現(xiàn)GPs的激發(fā)非常有效。這是因?yàn)榍蛔鳛镚P納米天線，與紅外輻射有效地相互作用，并且GPs被激發(fā)為納米天線的磁共振模式。 研究機(jī)構(gòu)： l Tel Aviv University， Tel Aviv， Israel l ICFO–Institut de Ciències Fotòniques， Barcelona， Spain l ICFO and ICREA–Institució Catalana de Recerca i Estudis Avan?ats， Barcelona， Spain

11、等離子體計(jì)算復(fù)合眼相機(jī)

攝影和顯微鏡中使用的傳統(tǒng)相機(jī)采用人眼結(jié)構(gòu)；鏡頭用于將感興趣的物體的圖像投射到光電探測(cè)器陣列上。這種設(shè)置可以提供良好的空間分辨率，但由于像差效應(yīng)，它需要平衡小尺寸和大視場(chǎng)（FOV）。在自然界中，通過(guò)進(jìn)化來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的解決方案是復(fù)合眼，普遍存在于昆蟲(chóng)和甲殼類動(dòng)物等最小的動(dòng)物物種中。 典型的復(fù)眼包括一個(gè)密集的陣列，許多成像元件指向不同的方向。不幸的是，它們的彎曲幾何與標(biāo)準(zhǔn)的平面半導(dǎo)體技術(shù)不兼容，嚴(yán)重復(fù)雜化了它們的光電實(shí)現(xiàn)。

因此，制造人工復(fù)合眼需要開(kāi)發(fā)復(fù)雜的非傳統(tǒng)制造工藝，限制了其可制造性和可實(shí)現(xiàn)的分辨率。涉及透鏡陣列的平面幾何已經(jīng)被研究，但受微透鏡f數(shù)限制，只能實(shí)現(xiàn)小視場(chǎng)（小于70°）。 最近，科研人員報(bào)道了一種新的復(fù)合眼相機(jī)結(jié)構(gòu)——利用元表面（metasurface）納米光子學(xué)的巨大設(shè)計(jì)靈活性和計(jì)算成像的先進(jìn)數(shù)據(jù)處理能力，以平面無(wú)透鏡格式提供大于150°的超大視場(chǎng)（FOV）。在這種結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器陣列的每個(gè)像素都涂上專門設(shè)計(jì)的金屬納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)只發(fā)射沿一個(gè)小的、幾何可調(diào)諧的角度分布的光。然后，計(jì)算成像技術(shù)能夠從所有像素的組合信號(hào)中進(jìn)行高質(zhì)量的圖像重建。他們?cè)O(shè)計(jì)、制造和表征了一組近紅外器件，提供了在不同角度的峰值方向光探測(cè)，然后根據(jù)它們的角度響應(yīng)圖展示了它們的成像能力。

圖11. 左上：常見(jiàn)節(jié)肢動(dòng)物的復(fù)眼。 頂部中間：開(kāi)發(fā)的設(shè)備示意圖。 右上角：設(shè)計(jì)仿真結(jié)果顯示了不同器件響應(yīng)率的極角依賴性。 左下角：測(cè)量具有代表性的器件的光電流與極性和方位角照明角的關(guān)系。 底部中間：成像幾何示意圖。 右下角：重建圖像的例子

由于它的無(wú)透鏡性質(zhì)，這種方法可以比現(xiàn)有方案實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小型化和更高的分辨率，以及一個(gè)潛在的簡(jiǎn)單的制造工藝，兼容現(xiàn)有的圖像傳感器技術(shù)。他們相信，這些結(jié)果對(duì)于需要極端尺寸小型化和超大FOV的應(yīng)用是非常重要的，例如尖端芯片（chip-on-the-tip）內(nèi)窺鏡、可植入或可吞咽的相機(jī)和無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航。此外，元表面（metasurface）技術(shù)和計(jì)算成像的協(xié)同結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的成像功能。 研究機(jī)構(gòu)： l Boston University， Boston， MA， USA

12、用光進(jìn)行納米繪畫(huà)

顏色是光與原子和分子離散能量狀態(tài)的共振相互作用的結(jié)果，是人類視覺(jué)感知的主要屬性。它在成像和顯示技術(shù)以及藝術(shù)方面都起著至關(guān)重要的作用。在今年的工作中，該團(tuán)隊(duì)展示了用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的元表面來(lái)調(diào)整透射光中的顏色色調(diào)和亮度的能力——?jiǎng)?chuàng)造了一幅有足夠細(xì)節(jié)水平的“納米畫(huà)”，再現(xiàn)了一件著名的藝術(shù)品。 使用納米結(jié)構(gòu)表面的顏色工程領(lǐng)域的大多數(shù)工作都集中在實(shí)現(xiàn)高色域和飽和度，同時(shí)在傳輸或反射時(shí)保持所需顏色的亮度。雖然這種設(shè)備表現(xiàn)出較高的傳輸或反射效率，但產(chǎn)生的顏色的亮度是固定的。

然而，由于亮度（以及色域和飽和度）是顏色的基本特性之一，因此需要對(duì)亮度和色調(diào)進(jìn)行有效和平滑的調(diào)整傳輸透視、厚的甚至三維的影像。 在該工作中，科研人員展示了通過(guò)有效控制整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)顏色的亮度實(shí)現(xiàn)納米繪畫(huà)的能力——一幅毫米尺度的圖像顯示微妙的顏色和陰影細(xì)節(jié)，就像用納米刷子創(chuàng)建的那樣，使用低損耗的介電元面技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)制1665年荷蘭藝術(shù)家Johannes Vermeer的杰作（女孩與珍珠耳環(huán)）。表面包括一個(gè)空間變化尺寸的二氧化鈦納米顆粒陣列，它決定了輸出顏色的色調(diào)以及旋轉(zhuǎn)方向，由此決定了亮度。

圖12. 左：產(chǎn)生全彩色納米畫(huà)的原理圖。插圖：制備的TiO2納米顆粒。標(biāo)尺：500 nm 右：白光通過(guò)偏振片、元表面和分析器產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)彩色圖像。

標(biāo)尺：50μm 納米顆粒被設(shè)計(jì)成單獨(dú)的窄帶半波板，能夠旋轉(zhuǎn)線性偏振入射光的偏振，用于目標(biāo)濾色——紅色、綠色和藍(lán)色。在白光照明和正交偏光鏡--分析器取向下，元表面生成的圖像逼真顯示了這幅畫(huà)的高分辨率復(fù)制品，展示了它的標(biāo)志性主題，穿著藍(lán)色頭巾、金色夾克、明亮的白領(lǐng)和發(fā)光的珍珠耳環(huán)。場(chǎng)景沐浴在定向光中，戲劇性的外圍陰影無(wú)縫地融合到黑色背景中。非常平滑的色調(diào)和亮度轉(zhuǎn)換再現(xiàn)了一種類似于油畫(huà)的外觀——說(shuō)明納米技術(shù)能夠滿足Vermeer對(duì)顏色、光和陰影的熟練渲染。 研究機(jī)構(gòu)： l Nanjing University， Nanjing， China l National Institute of Standards and Technology， Gaithersburg， MD， USA l Smithsonian Institution， Washington， DC， USA

13、多功能衍射平板光學(xué)

透鏡是任何成像系統(tǒng)中最基本和最基本的元素。然而，傳統(tǒng)的屈光透鏡由于其曲率而體積龐大。平板衍射透鏡可以克服這一困難，但傳統(tǒng)的衍射光學(xué)鏡片的有天花板，主要是由于存在色差。 最近，科研人員已經(jīng)證明，通過(guò)將“成像”現(xiàn)象簡(jiǎn)單地看作是從物體到圖像平面的信息傳遞，相位在焦平面上的空間分布可以是一個(gè)任意的函數(shù)。（這里指的是標(biāo)量電磁場(chǎng)的相位，但是這個(gè)參數(shù)對(duì)矢量場(chǎng)同樣有效。）在絕大多數(shù)成像應(yīng)用中，只有圖像傳感器記錄的強(qiáng)度才是產(chǎn)生圖像的主要興趣。 應(yīng)用這一概念，他們已經(jīng)證明，允許平面透鏡的圖像平面中的相位是一個(gè)自由參數(shù)，通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)不同的衍射表面，可以使平面、多級(jí)衍射透鏡（MDLs）的成像特性具有前所未有的通用性。他們?cè)谶@種平面透鏡中顯示的特性包括超消色差（super-achromaticity），極焦深（EDOF）和高數(shù)值孔徑。在不同情況下，設(shè)計(jì)原則和方法保持不變，唯一的變化是為所需的MDL屬性制定設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)值圖。這些平透鏡可以很容易地制造使用一步灰度光刻。

圖13. 左上角：多級(jí)衍射透鏡（MDLs）可以實(shí)現(xiàn)極深的聚焦、大的工作帶寬和高的數(shù)值孔徑。 右上角：典型MDL的掃描電子顯微照片。 中間行：高NA MDL（右）的極端聚焦深度（左）和MTF的實(shí)驗(yàn)演示。 底部行：在可見(jiàn)光（Strehl比=0.8）、近紅外（NIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段拍攝MDL圖像。 最右邊的面板顯示具有單個(gè)MDL和多個(gè)傳感器的可見(jiàn)光-近紅外（NIR）-長(zhǎng)波紅外（LWIR）復(fù)合圖像。

他們已經(jīng)演示了一個(gè)MDL，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)四個(gè)數(shù)量級(jí)的極端聚焦深度。使用這個(gè)平板透鏡，在實(shí)驗(yàn)中他們能夠?qū)Ψ蛛x距離大約為6米的物體保持巨焦。當(dāng)λ=0.85μm的準(zhǔn)直光線照射時(shí)，MDL產(chǎn)生了一束聚焦在5毫米到1200毫米之間的光束。他們還演示了在LWIR（8-12μm）、可見(jiàn)到近紅外（0.45-1μm）、可見(jiàn)到LWIR（0.45-15μm）、甚至遠(yuǎn)紅外（1.5-150μm）中工作的超消色差MDL。 最后，他們成功地演示了厚度小于1.35μm，直徑為4.13毫米，NA=0.9，工作波長(zhǎng)為850nm（帶寬約為35nm）的MDL。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Utah， Salt Lake City， UT， USA l Oblate Optics， Inc.， San Diego， CA， USA

14、熱光工程波前整形

將可調(diào)變焦鏡頭集成到毫米厚的手機(jī)、微型顯微鏡或醫(yī)用內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)端需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，可以在毫秒內(nèi)電整形。雖然液晶空間光調(diào)制器是高分辨率波前整形的首選工具，但它們的偏振靈敏度、色差、成本和尺寸限制了它們?cè)诠鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)室之外的應(yīng)用。 科研人員最近證明準(zhǔn)無(wú)色差 、偏振不敏感的電氣元件，可以應(yīng)用預(yù)定的、連續(xù)的局部波前整形實(shí)現(xiàn)，在微尺度上具有前所未有的自由度－－沒(méi)有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)。他們稱這種方法為智能透鏡（Smartlens），電流通過(guò)一個(gè)良好優(yōu)化的微米級(jí)電阻來(lái)調(diào)節(jié)。局部加熱改變了電阻器周圍透明聚合物板的折射率分布。就像海市蜃樓把光線通過(guò)熱空氣來(lái)制造遙遠(yuǎn)湖泊的錯(cuò)覺(jué)一樣，這個(gè)微尺度的熱區(qū)可以精確地控制光束偏轉(zhuǎn)。小的，微米級(jí)的智能透鏡（Smartlenses）迅速升溫降溫；在毫秒內(nèi)，一片簡(jiǎn)單的聚合物可以變成透鏡和背面。

圖14. 頂部：可調(diào)諧微光學(xué)器件（左）中的電控電阻加熱器引起溫度（中心）的變化，及在溫敏材料中折射率變化（右）。通過(guò)遺傳算法優(yōu)化，可以確定所需波前形狀的最佳電阻幾何形狀。底部：用于（從左到右）離焦（發(fā)散透鏡）、平面波形（活塞piston）、垂直散光（圓柱透鏡）和錐形表面（逆向軸棱鏡）的實(shí)驗(yàn)波陣面。

由于智能透鏡（Smartlenses）可以制作成陣列，他們證明，由于大多數(shù)熱光系數(shù)的色差相對(duì)較小，通過(guò)激活位于它們前面的智能透鏡（Smartlenses），可以同時(shí)將位于非常不同距離的幾個(gè)彩色物體聚焦到相機(jī)傳感器上。此外，通過(guò)對(duì)熱擴(kuò)散和光傳播的建模，并利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，他們證明了這種方法可以超越簡(jiǎn)單的透鏡。事實(shí)上，一個(gè)適當(dāng)?shù)墓こ屉娮杵骺梢杂酶咚降目刂苼?lái)成形光束，并實(shí)現(xiàn)廣泛的光學(xué)功能，包括散光、軸突或自由形狀－－例如，動(dòng)態(tài)校正光學(xué)儀器的像差。值得注意的是，智能透鏡（Smartlens）技術(shù)非常緊湊、成本效益高和可擴(kuò)展。他們認(rèn)為，它有潛力應(yīng)用于高端技術(shù)系統(tǒng)以及簡(jiǎn)單的面向最終用戶的成像設(shè)備，并可能對(duì)當(dāng)前的集成光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。 研究機(jī)構(gòu)： l Université Paris Descartes， Paris， France l Sorbonne Université， Institut de la Vision， Paris， France l ICFO–Institut de Ciències Fotòniques and ICREA–Institució Catalana de Recerca i Estudis Avan?ats， Barcelona， Spain l ETH Zurich， Switzerland

15、渦旋輔助瞬態(tài)微透鏡

將光聚焦到超衍射極限是光學(xué)科學(xué)中最大的挑戰(zhàn)之一，并將使許多光學(xué)技術(shù)（從成像、光學(xué)捕獲到光傳遞、光子醫(yī)學(xué)）發(fā)生革命性的變化。為實(shí)現(xiàn)亞衍射聚焦，開(kāi)發(fā)了具有工程散射特性或附加微球的超材料。最近，科研人員研制了一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)超衍射極限的物理聚焦，不需要額外的光學(xué)元件或外源標(biāo)記，只使用光和物質(zhì)相互作用。 為了實(shí)現(xiàn)探針光束（附圖中的綠色光束）的緊密聚焦，可忽略被樣品吸收，他們的技術(shù)使用不同波長(zhǎng)被樣品強(qiáng)烈吸收的輔助光束（紅色）。在水基溶液中，折射率的溫度依賴性為負(fù)（dn/dt《0）。這樣，輔助光束由渦旋相板形成甜甜圈的形狀產(chǎn)生瞬態(tài)吸收，即中心有衍射受限空隙的環(huán)。這種熱廓線在聚焦透鏡的腰部產(chǎn)生折射率梯度，在環(huán)的中心有最高的折射率，并且指數(shù)單調(diào)地向邊沿下降。這一過(guò)程有效地形成了直徑等于光學(xué)衍射極限的瞬態(tài)收斂微透鏡。因此，當(dāng)探針光束通過(guò)受控成形的微透鏡（準(zhǔn)直或聚焦）時(shí)，它將收斂到比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)能達(dá)到的更小的焦點(diǎn)，正如他們實(shí)驗(yàn)證實(shí)的那樣。

圖15. 左：渦旋輔助聚焦原理圖。中心：衍射受限光斑與渦旋輔助聚焦得到的衍射受限光斑的實(shí)驗(yàn)比較。右：掃描顯微鏡圖像USAF分辨率圖：沒(méi)有渦旋板（左）和有渦旋板（右）?？梢远康貜臉?biāo)記區(qū)域的線圖看到圖像分辨率增強(qiáng)。

由于成形熱廓線需要短脈沖持續(xù)時(shí)間，該成像方式的曝光通量低于組織的損傷閾值，使其適合于生物應(yīng)用。較小的焦點(diǎn)也可以作為掃描探針，在沒(méi)有任何標(biāo)記過(guò)程或材料插入的情況下以優(yōu)異的分辨率成像，在光學(xué)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了很高的靈活性。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Maryland， College Park， MD， USA

16、構(gòu)造光子氣旋

光子攜帶角動(dòng)量，包括與旋轉(zhuǎn)極化矢量相關(guān)的自旋角動(dòng)量（SAM）和與螺旋相位相連的軌道角動(dòng)量（OAM）。光子角動(dòng)量子態(tài)的附加自由度激發(fā)了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，在經(jīng)典光學(xué)和量子光學(xué)中都有廣泛的應(yīng)用。通常研究平行于波印廷矢量的角矩的縱向SAM和OAM。然而，橫向SAM最近在聚焦光束和隱失波的研究中也得到了關(guān)注。

圖16. 左：帶有橫向OAM的時(shí)空光學(xué)渦旋（STOV）和帶有縱向OAM（頂部）的空間渦旋的示意圖，以及顯示產(chǎn)生的STOV（底部）相位結(jié)構(gòu)的干涉條紋。 中心左：重建的STOV相位（頂部），和重建的STOV三維強(qiáng)度分布（底部）。 中心右：帶有時(shí)間變化的OAM波包的相位和強(qiáng)度分布。 右：STOV的亞波長(zhǎng)聚焦：STOV的三維強(qiáng)度聚焦（頂部）和相應(yīng)的相位投影（底部）

雖然最近的理論研究揭示了橫向光學(xué)OAM的存在，但缺乏合適的實(shí)驗(yàn)工具來(lái)控制這些OAM狀態(tài)下的光。今年，該團(tuán)隊(duì)克服這一限制，演示了一種方法，在空間頻域形成螺旋相位，然后在二維時(shí)空傅里葉變換后保留在時(shí)空域。產(chǎn)生的時(shí)空光學(xué)渦旋（STOV）類似于快速前進(jìn)的氣旋，橫向OAM垂直于傳播方向。

該團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單和非常靈活的生成方法為光學(xué)和光子設(shè)計(jì)的光子角動(dòng)量研究開(kāi)辟了一個(gè)全新的方向。通過(guò)重新設(shè)計(jì)要加載在時(shí)空域上的相位模式，他們演示了一個(gè)嵌入時(shí)變橫向OAM的波包，該波包具有子皮秒（PS）時(shí)間分離。超快時(shí)間OAM變化可以應(yīng)用到高速光通信和納米結(jié)構(gòu)的超快操縱。這種光-物質(zhì)局域相互作用的能力對(duì)于這些應(yīng)用至關(guān)重要。然而，當(dāng)時(shí)空波包通過(guò)高數(shù)字孔徑物鏡聚焦時(shí)，時(shí)空散光效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)，從而破壞時(shí)空渦旋。用圓柱透鏡模轉(zhuǎn)換器來(lái)模擬空間OAM，通過(guò)對(duì)相位和振幅調(diào)制的波包進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)了具有橫向OAM的亞波長(zhǎng)STOV。 他們預(yù)計(jì)，這些研究將推動(dòng)對(duì)這一新興領(lǐng)域的更多研究，并在顯微鏡、等離子體物理、激光加工和量子信息處理等眾多應(yīng)用中開(kāi)辟新的途徑。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， China l University of Dayton， OH， USA

17、超常光束調(diào)制與普通的格林（Grin）鏡頭

應(yīng)力引起的雙折射通常被認(rèn)為是一種討厭的現(xiàn)象，它發(fā)生在包括梯度指數(shù)（GRIN）透鏡的制造等的許多光學(xué)過(guò)程中。最近，該團(tuán)隊(duì)表明，這一不必要的缺陷實(shí)際上可以被處理和開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用，超越傳統(tǒng)GRIN透鏡的使用，包括矢量渦旋光束產(chǎn)生，焦點(diǎn)修改和快照Mueller矩陣極化測(cè)量。

圖17. 通過(guò)GRIN透鏡級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的矢量光束選樣

GRIN透鏡通過(guò)徑向?qū)ΨQ折射率剖面聚焦光。與具有均勻折射率的傳統(tǒng)透鏡相比，GRIN透鏡在具有平坦表面、易耦合、質(zhì)量低、尺寸小等方面具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因此，它們被廣泛應(yīng)用于緊湊的成像系統(tǒng)或與光纖或波導(dǎo)耦合。然而，構(gòu)造這些透鏡的指數(shù)剖面的離子交換制造過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致雙折射的徑向?qū)ΨQ變化。這種特性會(huì)導(dǎo)致額外的偏振像差進(jìn)入基于GRIN透鏡的系統(tǒng)。制造過(guò)程被優(yōu)化，以保持這些像差（在許多應(yīng)用中的一個(gè)缺點(diǎn)）到最低限度。

他們證明，這些相同的特性可以作為光束產(chǎn)生和分析的基礎(chǔ)，或者用來(lái)擴(kuò)展當(dāng)前基于GRIN透鏡的成像系統(tǒng)的能力。通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)GRIN透鏡與其他光學(xué)元件級(jí)聯(lián)，它們的本征雙折射可以用來(lái)產(chǎn)生矢量渦旋光束--具有復(fù)雜相位和偏振特性的矢量光束。在這項(xiàng)工作中，他們采取了一個(gè)共同的光學(xué)設(shè)備，并表明它可以以新的方式使用，以大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)光工具包和產(chǎn)生各種光束。 此外，通過(guò)與其他光學(xué)器件的適當(dāng)組合，調(diào)整GRIN透鏡內(nèi)部的偏振像差，他們表明，有可能對(duì)這種透鏡的焦點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制，以利于現(xiàn)有的基于GRIN透鏡的成像系統(tǒng)。最后，但并非最不重要的是，他們提出了一種基于雙級(jí)聯(lián)GRIN透鏡的快照Mueller矩陣極化法的新方式--也驗(yàn)證了它相對(duì)于傳統(tǒng)方法區(qū)分健康組織和疾病組織差距的潛在用途的原理證明。 總的來(lái)說(shuō)，GRIN透鏡的雙折射及其與其他無(wú)源/有源光學(xué)元件的級(jí)聯(lián)組合為進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展提供了豐富的機(jī)會(huì)。他們相信這種技術(shù)有可能在廣泛的應(yīng)用中受益，從量子光學(xué)到臨床診斷。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Oxford， Oxford， U.K.

18、遠(yuǎn)距離單光子成像

遠(yuǎn)距離主動(dòng)成像在包括遙感和目標(biāo)識(shí)別在內(nèi)的廣泛應(yīng)用具有相當(dāng)大的興趣。 單光子光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）具有單光子靈敏度和皮秒時(shí)間分辨率，對(duì)于遠(yuǎn)距離成像是可取的。

圖18. 中國(guó)上海的跨越45公里遠(yuǎn)距離單光子成像。左內(nèi)嵌體：成像系統(tǒng)的硬件。中心內(nèi)嵌：系統(tǒng)原理圖。 右嵌入：遠(yuǎn)距離單光子成像案例圖

這一領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，并報(bào)告了10公里范圍的三維成像。然而，進(jìn)一步擴(kuò)大成像范圍帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹挥形⑷醯幕夭ü庾臃祷?，并與強(qiáng)噪聲混合。今年，該團(tuán)隊(duì)能夠顯著地?cái)U(kuò)展成像范圍，并大大超過(guò)以前的單光子成像范圍記錄。在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)诔鞘协h(huán)境中演示了長(zhǎng)達(dá)45公里的單光子三維成像，信號(hào)水平為每個(gè)像素~1個(gè)光子。 他們開(kāi)發(fā)了一種專門為遠(yuǎn)程單光子激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的基于硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)。在硬件上，他們構(gòu)建了一個(gè)高效、低噪聲同軸掃描系統(tǒng)，既提高了對(duì)弱回波光子的有效采集能力，又提高了對(duì)背景噪聲的抑制能力。在軟件上，他們開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算算法，可以在低光子檢測(cè)的情況下實(shí)現(xiàn)超分辨率能力和高光子效率。 該系統(tǒng)代表了超長(zhǎng)距離低功率高分辨率激光雷達(dá)的一個(gè)重要里程碑。這些結(jié)果不僅可能用于遙感和監(jiān)視的新成像系統(tǒng)，而且對(duì)成像科學(xué)中最終靈敏度極限的基本問(wèn)題也有重要的意義。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Science and Technology of China， Hefei， China

19、通過(guò)測(cè)量時(shí)間獲得圖像

獲得一個(gè)場(chǎng)景的圖像是明顯和直觀的。從場(chǎng)景中的每個(gè)物體反射的光被鏡頭收集起來(lái)，并投影（成像）到記錄光強(qiáng)的像素陣列（傳感器）。這一基本的操作原理就是照相機(jī)，比如手機(jī)里的照相機(jī)。一種最近開(kāi)發(fā)的替代技術(shù)，單像素成像，這種技術(shù)依賴于使用一個(gè)照明像素陣列，而不是探測(cè)器。通過(guò)以某種形式對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行空間掃描，并用單像素傳感器測(cè)量從場(chǎng)景中反射回來(lái)的總強(qiáng)度，可以形成一幅圖像。將這些方法擴(kuò)展到3D是可能的，例如，通過(guò)立體視覺(jué)和飛行時(shí)間技術(shù)。

圖19. 場(chǎng)景用脈沖激光（左）閃光照明的時(shí)間測(cè)量成像。單點(diǎn)探測(cè)器以時(shí)間直方圖（右上）的形式記錄來(lái)自整個(gè)場(chǎng)景的光子的到達(dá)時(shí)間，該直方圖由圖像檢索算法處理，呈現(xiàn)3D圖像（右下角）。

探測(cè)器或照明中，在沒(méi)有空間感知的情況下形成一幅圖像似乎是一項(xiàng)不可能的任務(wù)。然而，在該團(tuán)隊(duì)最近的工作中，他們確切地問(wèn)自己，如何做到這一點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們使用了一個(gè)具有時(shí)間分辨能力的單點(diǎn)傳感器--也就是說(shuō)，一個(gè)沒(méi)有空間分辨率的傳感器，而是測(cè)量光子從場(chǎng)景中到達(dá)的時(shí)間。在該方法中，場(chǎng)景用脈沖激光進(jìn)行泛光照明，返回光用單點(diǎn)單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)器聚焦和收集。探測(cè)器以時(shí)間直方圖的形式提供來(lái)自整個(gè)場(chǎng)景的返回光子的到達(dá)時(shí)間，然后用AI算法在3D中表達(dá)場(chǎng)景。通過(guò)使用這種方法，他們實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景的多個(gè)人的三維成像，景深可達(dá)4米。 一個(gè)時(shí)間分辨的單像素傳感器足以進(jìn)行空間成像，這一事實(shí)拓寬了傳統(tǒng)上被認(rèn)為構(gòu)成圖像信息的范圍。同樣的概念可以轉(zhuǎn)移到任何能夠用短脈沖探測(cè)場(chǎng)景并精確測(cè)量返回“回波”的設(shè)備，例如雷達(dá)和聲距離傳感器。這為利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行成像和傳感開(kāi)辟了多種可能性，特別是關(guān)于自動(dòng)駕駛車輛、智能設(shè)備和可穿戴技術(shù)的應(yīng)用。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Glasgow， Glasgow， U.K. l Politecnico di Milano， Milan， Italy l Technische Universiteit Delft， Delft， Netherlands

20、雙折射核殼納米粒子的天然光子結(jié)構(gòu)

光子結(jié)構(gòu)是許多動(dòng)物生動(dòng)的顏色，也是視覺(jué)中的反射器和過(guò)濾器。一個(gè)這樣的反射器是膜狀層（tapetum），它位于眼睛的光感受器后面。第一次沒(méi)有被視網(wǎng)膜吸收的光子被膜狀層（tapetum）反射回來(lái)，以獲得第二次吸收的機(jī)會(huì)，增加了眼睛的靈敏度。 該團(tuán)隊(duì)最近的工作表明，在幾種十足類甲殼動(dòng)物中，膜狀層（tapetum）由直徑約300nm的球形納米粒子組成。每個(gè)球體都由板狀的等黃翅目昆蟲(chóng)晶體組成，同心排列，很像洋蔥的層，在水芯周圍的殼中。這些晶體是雙折射的，導(dǎo)致不同偏振光的折射率不同。在每個(gè)粒子中，晶體a軸總是指向徑向。因此，沿徑向偏振的光比與納米粒子表面相切向的光（1.96）具有更小的折射率（1.4）。這種粒子被稱為球晶。

圖20. 頂部：由結(jié)晶的異黃蝶呤板（左）和密集堆積的異黃蝶呤球晶組成的球殼，呈短程有序（右）。左下角：球晶（藍(lán)色）與有效各向同性介質(zhì)（紅色）制成的球殼的后向散射效率。 右下角：球晶（藍(lán)色）的緊密填充組件的反射率比各向同性球形殼（紅色）的組件具有更寬的波段和更有效的反射。

出于對(duì)雙折射在這些反射結(jié)構(gòu)性能中的作用的好奇，他們計(jì)算了單個(gè)異黃蕨類植物球晶的后向散射特性。他們發(fā)現(xiàn)，雙折射導(dǎo)致可見(jiàn)光波長(zhǎng)的后向散射強(qiáng)度增加了兩倍，特別是在光譜的藍(lán)色區(qū)域，這與海洋甲殼動(dòng)物的視覺(jué)最相關(guān)。在這種面心立方結(jié)構(gòu)粒子中，雙折射在藍(lán)色波長(zhǎng)下產(chǎn)生寬波段的高反射率，約寬于50nm。高反射率發(fā)生在薄到幾微米的結(jié)構(gòu)上，這是由于光子能帶結(jié)構(gòu)在相關(guān)傳播方向上的偽隙（pseudogaps）所致。 每個(gè)球晶的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性保證了單個(gè)球晶取向不影響整個(gè)組件的光學(xué)性能。每個(gè)球晶的直徑和殼層厚度似乎都是通過(guò)進(jìn)化來(lái)優(yōu)化的，以在光譜的藍(lán)色區(qū)域?qū)崿F(xiàn)反射器的最佳性能。他們的研究證明了組裝納米球晶的效用，并推動(dòng)了進(jìn)一步的研究，以利用雙折射的空間變化設(shè)計(jì)超薄反射光子結(jié)構(gòu)。 研究機(jī)構(gòu)： l Weizmann Institute of Science， Rehovot， Israel l Ben-Gurion University of the Negev， Beer-Sheva， Israel

21、超黑色深海魚(yú)類

超黑色材料（那些反射的光不到照射到它們的光的0.5%的材料）可用于望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)和光學(xué)設(shè)備中在探測(cè)器之前吸收雜散光，或改進(jìn)吸收器（如太陽(yáng)能電池板）的光捕獲。這些難以置信的黑色材料中有許多是由垂直排列的密集碳納米管組成的，每一千個(gè)光子中只有少于一個(gè)能反射。 最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾種超黑色的動(dòng)物。由于在這些動(dòng)物中創(chuàng)造超黑色著色的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)得起動(dòng)物生命中的磨損，它們?yōu)闃?gòu)造魯棒的超黑色材料提供了潛在的靈感。今年，該小組報(bào)告了一種可能已經(jīng)多次進(jìn)化的簡(jiǎn)單的色素堆積機(jī)制，能在深海魚(yú)類中產(chǎn)生超黑皮膚。深海魚(yú)類是地球上最黑的動(dòng)物之一，也是已知的第一種水生超黑動(dòng)物。導(dǎo)致它們皮膚著色的進(jìn)化方法克服了大多數(shù)超黑色材料的疏水性。這些魚(yú)的皮膚含有橢球狀的黑色素體（含黑色素的細(xì)胞器）這些細(xì)胞器被隨機(jī)地包裹在連續(xù)的黑色素體層中。當(dāng)光照射到黑素體層時(shí)，單個(gè)黑素體將光分散在該層中，有機(jī)會(huì)被吸收，而不是被反射回光源。

圖21. 左圖：美國(guó)加利福尼亞州蒙特利灣的太平洋黑龍。 右上：太平洋黑龍皮膚中黑素體納米顆粒的TEM圖像。右下：FDTD數(shù)值模擬表明，超黑深海魚(yú)類（白色圓圈）的黑素體大小和幾何形狀得到了很好的優(yōu)化，相對(duì)于其他脊椎動(dòng)物物種（灰色三角形）， 大大減小了反射率。

利用時(shí)域有限差分模型，對(duì)超黑魚(yú)的黑素體進(jìn)行了尺寸和形狀優(yōu)化，以減小反射率。超黑魚(yú)中的黑色小體比其他魚(yú)類更大、更長(zhǎng)，他們的模型預(yù)測(cè)，這種形狀的差異使反射率降低了50%以上。他們認(rèn)為，這種超黑色的皮膚能在一個(gè)漆黑的深海背景的生物發(fā)光中隱蔽魚(yú)類。與其他天然和人造的超黑色材料一樣，這些魚(yú)類依賴于兩個(gè)過(guò)程：吸收和散射。在鳥(niǎo)類和蝴蝶中，散射來(lái)自角蛋白或甲殼素納米結(jié)構(gòu)，吸收來(lái)自嵌入在這些基質(zhì)中的黑色素。然而，在魚(yú)類中，散射和吸收都來(lái)自相同的成分：黑色素體。從仿生的角度來(lái)看，這種更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以不需要構(gòu)造精心控制的納米結(jié)構(gòu)。隨機(jī)緊密包裹的納米粒子的正確大小和形狀提供了一個(gè)潛在的解決方案，以構(gòu)造魯棒的、易于制造的超黑色材料。 研究機(jī)構(gòu)： l Duke University， Durham， NC， USA l Monterey Bay Aquarium Research Institute， Moss Landing， CA， USA l Smithsonian Institution， Washington， DC， USA

22、自然晶體中的單向光傳播

光的單向傳播不是日常環(huán)境中預(yù)期的現(xiàn)象，如玻璃窗和陽(yáng)光。然而，單向傳播的可能性是許多光學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)，從用于通信的信號(hào)處理設(shè)備到如哈利波特式的隱形斗篷等異想天開(kāi)的例子。在隱形斗篷的情況下，單向光傳播對(duì)于隱藏是必不可少的，并且正在研究通過(guò)合成材料或超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)場(chǎng)景的方法。該團(tuán)隊(duì)在最近的工作表明，相對(duì)于入射角的遠(yuǎn)紅外頻率的單向光傳播可以發(fā)生在簡(jiǎn)單的天然晶體材料中，如晶體石英。雖然天然晶體材料中的這種光學(xué)響應(yīng)似乎違反直覺(jué)，但這些材料在特定頻率下可以具有顯著的電磁特性，稱為共振。 這些共振是方向相關(guān)的，并且在接近共振頻率的情況下，由于雙曲色散可能會(huì)產(chǎn)生包括負(fù)折射等的超材料類光學(xué)行為，也就是說(shuō)，介電常數(shù)張量的主分量是負(fù)的。此外，通過(guò)改變晶體表面的各向異性方向來(lái)控制這些共振，可以創(chuàng)建或破壞光傳播可能的區(qū)域。這可以有效地構(gòu)建一種“雙向”材料，使不透明的光從一邊入射，而透明的光從另一邊入射。

圖22. 晶體石英中的單向傳播。左上角：兩個(gè)不同方向的入射光束的插圖。左下角：正（藍(lán)線）和反（紅線）入射光束的理論（實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)（虛線）吸收光譜。右：作為入射角和頻率的函數(shù)的吸收率圖。 在用這些材料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)頻率接近550cm-1（相當(dāng)于18μm波長(zhǎng)）和負(fù)入射角時(shí)觀察到最大吸收，而對(duì)于正入射角吸收接近最小。他們的結(jié)果支持了自然晶體可以作為高效的功能取向的不對(duì)稱吸收體的想法。這些特性，加上它們的廣泛可用性，產(chǎn)生了這些材料的一些應(yīng)用，如在開(kāi)發(fā)集成芯片設(shè)備時(shí)石英的使用那樣。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Glasgow， Glasgow， U.K. l Shandong Institute of Advanced Technology， Jinan， China

23、眼睛晶狀體的單功能模型

視覺(jué)能夠與環(huán)境進(jìn)行充分的感官互動(dòng)，理解環(huán)境的復(fù)雜性和徹底地知情決策。因此，視覺(jué)通常被認(rèn)為是最重要的感官。最簡(jiǎn)單的描述是，人眼是一個(gè)由兩個(gè)光學(xué)透鏡組成的系統(tǒng)：角膜、晶體透鏡、以及一個(gè)屏幕，即視網(wǎng)膜，在這個(gè)屏幕上形成來(lái)自透鏡的圖像。在最近的工作中，該團(tuán)隊(duì)展示了如何使用單功能來(lái)模擬晶狀體的光學(xué)響應(yīng)，他們相信這一進(jìn)展將為諸如人工種植透鏡和更廣泛的光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。

圖23. 左：水平面與泊松高斯函數(shù)的交點(diǎn)使梯度折射率的等高線圖能夠在給定形狀的建模透鏡中繪制。 右：GRIN特性可以通過(guò)單個(gè)參數(shù)與透鏡幾何形狀的變化有關(guān)，從而形成晶體透鏡的動(dòng)態(tài)模型。

晶狀體在圖像精細(xì)聚焦中的關(guān)鍵作用是通過(guò)其形狀的變化及其不均勻折射率或梯度折射率（GRIN）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后一種屬性代表了一個(gè)進(jìn)化過(guò)程的結(jié)果，即使是現(xiàn)代材料科學(xué)和技術(shù)，也很難復(fù)制。一個(gè)原因是，創(chuàng)建一個(gè)同時(shí)包含兩個(gè)參數(shù)的晶狀體模型一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由于晶狀體的不對(duì)稱性，許多提出的模型都采用了分裂的方法，分別觀察GRIN的前后分布和晶狀體的形狀，盡管一個(gè)參數(shù)的變化可以改變另一個(gè)參數(shù)。

在今年發(fā)表的工作中，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)克服這一缺點(diǎn)的模型，關(guān)注GRIN與透鏡形狀之間的動(dòng)態(tài)相互關(guān)系，以及當(dāng)透鏡改變焦點(diǎn)時(shí)，它們是如何同時(shí)變化的。他們的工作表明，通過(guò)結(jié)合兩個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)（泊松和高斯分布）可以創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的3D模型，既考慮了GRIN，也考慮了當(dāng)鏡頭形狀被調(diào)整以使聚焦在很寬的距離范圍內(nèi)時(shí)它是如何變化的。這意味著模型密切模仿生物透鏡的功能。 這種先進(jìn)的鏡頭模型融入到一個(gè)有最小的像差的示范眼睛中，預(yù)期會(huì)產(chǎn)生像人眼一樣的功能。此外，該設(shè)計(jì)可以針對(duì)不同年齡的眼睛進(jìn)行修改。隨著組織工程和三維生物打印的最新進(jìn)展，可以證明該模型可用于人工晶狀體的創(chuàng)建和白內(nèi)障手術(shù)后個(gè)性化人工晶狀體的設(shè)計(jì)相關(guān)。他們認(rèn)為，它在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)、眼科和工程學(xué)科等領(lǐng)域也有更廣泛的潛在應(yīng)用。 研究機(jī)構(gòu)： l Tecnologico de Monterrey and Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada （CICESE）， Mexico l Staffordshire University， U.K. l Instituto Nacional de Astrofísica， óptica y Electrónica， Coordinación de óptica， Mexico

24、用生物集成微激光進(jìn)行心臟傳感

跳動(dòng)的心臟代表了一個(gè)要求異常苛刻的環(huán)境，由于超快的組織動(dòng)力學(xué)和嚴(yán)重的密集的肌肉纖維光散射，即使用最先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)也是如此。然而，單個(gè)心臟細(xì)胞收縮的特征對(duì)于理解心臟病、改善心臟移植和推進(jìn)心臟干細(xì)胞治療具有根本重要性。為了克服心臟傳感面臨的局限性，該團(tuán)隊(duì)探索了集成顯微鏡激光作為新的、超敏感的和非常明亮的心臟組織收縮性探針。

圖24. 左上角：共聚焦顯微鏡顯示新生心肌細(xì)胞胞漿內(nèi)有聚合物微激光（綠色），周圍有肉瘤蛋白cTnT（灰色）和細(xì)胞核（洋紅）。標(biāo)尺：10μm. 頂部中心：附著在斑馬魚(yú)心臟上的微油。 標(biāo)尺：50μm. 左下角：一個(gè)連續(xù)激發(fā)的細(xì)胞內(nèi)微激光器的重建折射率剖面，顯示單細(xì)胞水平上的詳細(xì)收縮信息。 右：圖示活體心肌切片心肌收縮力的測(cè)量，可達(dá)組織厚度400μm。

此前已經(jīng)證明球形whispering-gallery-mode微激光器可以被各種生物細(xì)胞主動(dòng)內(nèi)化而成，并且在遠(yuǎn)程光泵浦下在這些單個(gè)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生自我維持的激光發(fā)射。 該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由于微激光器對(duì)折射率局部變化的敏感性，對(duì)放置在心肌細(xì)胞（cardiomyocytes）中的微激光器的發(fā)射光譜進(jìn)行分析，能夠在其直接環(huán)境中提取收縮力的瞬態(tài)分布。結(jié)果是定量的，與形成肌纖維的收縮絲（肌原纖維）的蛋白質(zhì)密度有關(guān)。每個(gè)微激光的光譜剖面也提供了一個(gè)獨(dú)特的光學(xué)條形碼，以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)跟蹤單個(gè)心臟細(xì)胞。

為了探索基于微激光的收縮探針的平移視圖，在活斑馬魚(yú)的心臟中進(jìn)行了光學(xué)心臟傳感。記錄了詳細(xì)的單細(xì)胞收縮力剖面，表明該技術(shù)不受心臟本身快速運(yùn)動(dòng)的影響。最后，他們探索了通過(guò)將微激光器集成到活的心肌切片中來(lái)檢測(cè)這些深部散射組織的輪廓的能力。目前可用的多光子顯微鏡無(wú)法解決切片中單個(gè)細(xì)胞的收縮，其深度僅為100μm。與此相反，心臟切片中的微激光傳感提供了更深的穿透力，能夠可靠地檢測(cè)到高達(dá)400μm的組織深度的收縮力，而不需要多光子激發(fā)。結(jié)合新開(kāi)發(fā)的納米激光器，這項(xiàng)技術(shù)可以開(kāi)發(fā)新的平移方法，在跳動(dòng)的心臟深處可靠地非侵入性獲取移植細(xì)胞和人工心臟組織的功能特性。 研究機(jī)構(gòu)： l University of St. Andrews， St. Andrews， U.K.

25、用光學(xué)脈沖激活血小板

血小板是提供止血，阻止血液流動(dòng)，從而確保血液不會(huì)通過(guò)可能發(fā)生的血管的任何小損傷泄漏的細(xì)胞。止血反應(yīng)始于血小板活化，當(dāng)血小板感覺(jué)到血管外環(huán)境特有的刺激時(shí)觸發(fā)。血小板活化的研究很重要，因?yàn)檫@一過(guò)程在許多病理?xiàng)l件下起著重要的作用。在今年發(fā)表的工作中，該團(tuán)隊(duì)研制了一種光學(xué)方法，可用來(lái)對(duì)血小板活化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行更好的觀察。

圖25. 頂部：光學(xué)血小板活化實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖模型。左下角：對(duì)照實(shí)驗(yàn)，不帶罩的ADP，表明兩次紫外線不影響血小板鈣信號(hào)。 右下角：帶罩的ADP實(shí)驗(yàn)中獲得的幾個(gè)典型信號(hào)。

血小板活化的標(biāo)志是細(xì)胞質(zhì)中鈣離子濃度的激增。這種模式允許人們使用實(shí)時(shí)鈣探針跟蹤血小板活化的動(dòng)態(tài)變化。激活本身可以通過(guò)添加二磷酸腺苷（ADP）在體外觸發(fā)，因?yàn)檠“鍖?duì)ADP有特殊的受體，這種物質(zhì)在血管壁損傷時(shí)從受損細(xì)胞中解析出來(lái)。在工作中開(kāi)創(chuàng)性地引入這種方法，導(dǎo)致了對(duì)血小板活化過(guò)程的定量理解。然而，在這些研究中，血小板被固定在表面上，這改變了細(xì)胞的性質(zhì)，從而改變了激活的動(dòng)力學(xué)。 最近，他們通過(guò)一種新的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)克服這種不足，其中血小板活化是由光脈沖觸發(fā)的。該方法能夠研究激活而不用將血小板附著在表面，因?yàn)闆](méi)有增加激動(dòng)劑引起的位移。該方案基于由光活性化合物罩著的ADP，在紫外光照射下釋放。該系統(tǒng)允許跟蹤單一的、自由移動(dòng)的細(xì)胞的血小板激活的早期階段的情況。

該方法中，帶罩的ADP在實(shí)驗(yàn)前與血小板的懸浮液混合。它不與ADP受體結(jié)合，直到紫外線閃光被應(yīng)用，允許擴(kuò)散和結(jié)合到ADP受體及時(shí)分離。他們使用340nm、3W LED連接到Arduino板進(jìn)行紫外線照明，以允許控制閃光燈的持續(xù)時(shí)間。 他們說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了血小板活化早期的精確單細(xì)胞測(cè)量。該方法為血小板研究開(kāi)辟了新的途徑，包括研究細(xì)胞間信號(hào)傳遞和不同生化途徑的非線性相互作用。他們相信，所描述的方法將促進(jìn)血小板功能在各種生理和病理?xiàng)l件下的研究，并有助于心血管疾病的診斷。 研究機(jī)構(gòu)： l Novosibirsk State University， Novosibirsk， Russia

26、深度學(xué)習(xí)重聚焦三維圖像

高通量體積熒光顯微成像仍然是生物學(xué)、生命科學(xué)和工程領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。成像三維熒光樣品通常涉及掃描以獲取不同焦平面的圖像，這不可避免地降低了成像速度，并由于重復(fù)曝光和激發(fā)而增加了樣品上的光子劑量。雖然許多方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)掃描體積熒光顯微成像，這些早期的技術(shù)通常需要添加定制的光學(xué)元件，這會(huì)導(dǎo)致光子損耗和像差增加。

圖26. 線蟲(chóng)熒光圖像的Deep-Z三維數(shù)字重聚焦提供了與更麻煩和光子劑量密集的機(jī)械掃描所獲得的結(jié)果相媲美的結(jié)果，從而減少了成像時(shí)間和對(duì)樣品的潛在光損傷。

作為一種替代方法，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)的框架Deep-Z，以將二維熒光顯微圖像數(shù)字化地重聚焦到用戶定義的三維表面上。該框架允許從標(biāo)準(zhǔn)的寬場(chǎng)熒光顯微鏡圖像中進(jìn)行體積推斷，而不需要任何機(jī)械掃描、附加硬件或平衡成像分辨率和速度。在Deep-Z中，對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行訓(xùn)練，以快照2D熒光圖像和用戶定義的數(shù)字傳播矩陣（DPM）作為輸入，該矩陣表示每像素軸向重聚焦距離。CNN在DPM定義的精確三維表面輸出數(shù)字重聚焦圖像。

利用Deep-Z，他們用標(biāo)準(zhǔn)的寬場(chǎng)熒光顯微鏡對(duì)線蟲(chóng)的神經(jīng)元進(jìn)行了三維成像，并在計(jì)算上將其固有的場(chǎng)擴(kuò)展了20倍。在Deep-Z的輸出下，輸入圖像中不可分辨的熒光特征可以根據(jù)它們?cè)谌S中的真實(shí)軸向位置在不同深度被聚焦和解析，匹配聚焦掃描的背景圖像而不執(zhí)行實(shí)際的機(jī)械掃描。這大大減少了成像時(shí)間和對(duì)樣品的光損傷。 Deep-Z進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了頻率高達(dá)100赫茲的活的線蟲(chóng)神經(jīng)元高通量縱向體積重建。利用標(biāo)準(zhǔn)寬場(chǎng)熒光顯微鏡在單個(gè)焦平面上捕獲的二維圖像序列，生成移動(dòng)線蟲(chóng)的時(shí)間同步虛擬圖像棧。在獲取單個(gè)圖像后，還可以將空間不均勻的DPMs輸入到CNN中，對(duì)樣本漂移、傾斜、場(chǎng)曲率和其他圖像像差進(jìn)行數(shù)字校正。Deep-Z還能夠在不同的顯微鏡模式下進(jìn)行虛擬重聚焦。例如，該框架可以被訓(xùn)練成幾乎重聚焦快照寬場(chǎng)熒光圖像，并在不同的焦點(diǎn)隨機(jī)地推斷和輸出共焦等效圖像。這對(duì)于減少共聚焦掃描過(guò)程中可能發(fā)生的成像時(shí)間和光損傷特別有用。 研究機(jī)構(gòu)： l University of California， Los Angeles， CA， USA

27、標(biāo)準(zhǔn)圖像超分辨率顯微技術(shù)

圖像邊緣檢測(cè)是定量細(xì)胞生物學(xué)、納米光子學(xué)等領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多邊緣檢測(cè)算法，但它們都在精度上受到嚴(yán)重的限制。事實(shí)上，一項(xiàng)關(guān)于量化細(xì)胞遷移的研究表明，改變邊緣檢測(cè)方法或其參數(shù)之一會(huì)導(dǎo)致邊緣檢測(cè)算法精度可實(shí)現(xiàn)高達(dá)25%的提高。今年，該團(tuán)隊(duì)提出了一種在單一標(biāo)準(zhǔn)圖像中進(jìn)行超分辨率邊緣檢測(cè)的計(jì)算方法，為檢測(cè)特征遠(yuǎn)小于顯微鏡點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（PSF）的物體的形狀提供了可能性。

圖27. 頂部：截短星形（左）的人工圖像與顯微鏡PSF卷積，并添加噪聲（中心）。 藍(lán)點(diǎn)（右）顯示了SUPPOSe算法對(duì)邊緣的重建，疊加在背景圖像上。 底部：具有10倍目標(biāo)（左）和邊緣重建的熒光珠圖像，與40倍目標(biāo)圖像重疊。 該工作是基于他們最近提出的一種去卷積算法，即點(diǎn)源疊加（SUPPOSe），它通過(guò)等強(qiáng)度的虛點(diǎn)源的疊加來(lái)逼近要重建的對(duì)象。在該算法中，點(diǎn)源的隨機(jī)初始位置向類似于背景圖像的解決方案演化，精度遠(yuǎn)小于PSF寬度。雖然其他去卷積算法因必須施加正則化項(xiàng)來(lái)克服數(shù)學(xué)問(wèn)題不合理的事實(shí)失去了分辨率，但SUPPOSe沒(méi)有，因?yàn)樵磸?qiáng)度按定義在其公式中確定是正的。SUPPOSe算法的一個(gè)限制是源必須有點(diǎn)稀疏，因此它不能應(yīng)用于密集對(duì)象。在他們今年發(fā)表的工作中，通過(guò)用離散數(shù)量的點(diǎn)源擬合邊緣，并擬合圖像的梯度，發(fā)現(xiàn)可以使用改進(jìn)的SUPPOSe方法找到對(duì)象的梯度。

他們認(rèn)為這是對(duì)顯微鏡圖像去卷積的一個(gè)主要貢獻(xiàn)，因?yàn)樗軌蚧謴?fù)小于顯微鏡PSF的物體的形狀，如上圖所示。到目前為止，他們的工作已經(jīng)用于熒光顯微鏡成像。然而，他們提出的唯一實(shí)質(zhì)要求是空間相干性?。床煌狞c(diǎn)必須強(qiáng)度相加。）因此，該技術(shù)可以推廣到任何其他超分辨率方法不適用的非相干顯微鏡技術(shù)，如STORM、STED和PALM。 研究機(jī)構(gòu)： l Universidad de Buenos Aires， Argentina

28、皮米靈敏度的光波前傳感技術(shù)

精密光學(xué)波前計(jì)量學(xué)在科學(xué)、工業(yè)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域至關(guān)重要，從微光刻機(jī)不（Microlithography）到定量顯微鏡到引力波觀測(cè)站。對(duì)系外行星的直接成像也需要嚴(yán)格的波前傳感和控制在皮米尺度上的整個(gè)采集孔徑。雖然地面系統(tǒng)可以進(jìn)行這種測(cè)量，但仍然缺乏適合空間使用和可以使用恒星光子進(jìn)行傳感的類似系統(tǒng)。

圖28. 左：RMS面形圖誤差（以PM計(jì)），繪制為均方差的函數(shù)。淺藍(lán)色包絡(luò)顯示了測(cè)量的重復(fù)性。在100次平均（~4.3秒）之后，該系統(tǒng)的重復(fù)性達(dá)到1.6pm，大多數(shù)大氣殘差已經(jīng)平均掉。在這一點(diǎn)之后，重復(fù)性降低了均方根（與光子噪聲一致）。 右：不同平均次數(shù)的光學(xué)測(cè)試的面形圖。

澤尼克（Zernike）相位對(duì)比度技術(shù)由于其固有的簡(jiǎn)單性、魯棒性和靈敏度而非常適合于這種測(cè)量。該傳感器的關(guān)鍵元件是一個(gè)酒窩狀元件，直徑約為λ/D，光學(xué)厚度約為λ/4，蝕刻在玻璃基板上。這個(gè)元件被放置在中間焦平面，就在瞳孔觀察相機(jī)前面。該焦平面上的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)以相位對(duì)比度掩模為中心。結(jié)果是一種共模干涉儀，其中光的直流部分相對(duì)于其高階部分進(jìn)行相移。在隨后的瞳孔平面中，輸入瞳孔平面中的相位誤差被編碼為強(qiáng)度誤差。該方法已被用于測(cè)量較大的振幅，較低的空間頻率誤差，如尖端/傾斜和焦點(diǎn)。

在今年發(fā)表的工作中，他們開(kāi)發(fā)了一種更魯棒的相位重建表達(dá)式，它允許在可能的最高空間頻率（由最終瞳孔成像檢測(cè)器照明的像素?cái)?shù)設(shè)定）上非常精確地測(cè)量小相位變化。他們用非常小的信號(hào)實(shí)驗(yàn)，以證明其適用于天基高對(duì)比度飛行任務(wù)。 該試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量重復(fù)性受到光子噪聲和大氣相位湍流的限制。他們通過(guò)連續(xù)快速測(cè)量大氣湍流，調(diào)節(jié)表面平坦的變形鏡（DM），激活DM執(zhí)行器變?yōu)槿A夫餅形狀。用形狀差異來(lái)去除大氣的準(zhǔn)靜態(tài)部分；平均這些差異來(lái)減少剩余大氣殘差的時(shí)間的變化，以及光子噪聲的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位對(duì)比度技術(shù)可以作為一種強(qiáng)大的波前傳感方法，并在一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中達(dá)到難以置信的精度水平。 研究機(jī)構(gòu)： l Jet Propulsion Laboratory， California Institute of Technology， Pasadena， CA， USA

29、用于太陽(yáng)能熱水衛(wèi)生系統(tǒng)的超吸黑色金屬表面

氣候變化、人口增加和廢水管理不足的綜合影響助長(zhǎng)了全球水危機(jī)。廢水回收可成為環(huán)境可行的解決辦法的一部分。在最近的一項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于水衛(wèi)生系統(tǒng)的超吸、超吸光（SWSA）太陽(yáng)能可跟蹤面板，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 就像自然雨一樣，太陽(yáng)能可以使廢水可飲用。然而，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)有嚴(yán)重的熱損失。他們最近開(kāi)發(fā)了一種界面蒸發(fā)方法，在同一表面發(fā)生太陽(yáng)--熱發(fā)熱和水蒸發(fā)。這種蒸發(fā)器需要一個(gè)帶有吸收表面的太陽(yáng)能吸收器。然而，大多數(shù)以前開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能吸收器表面受到其平面外和封閉的微毛管結(jié)構(gòu)的幾何約束。這意味著，這些蒸發(fā)器必須水平漂浮在水面上，從而無(wú)法跟蹤太陽(yáng)以優(yōu)化可用的太陽(yáng)輻照度。因此，當(dāng)太陽(yáng)處于較大的天頂角時(shí)，這些蒸發(fā)器的效率顯著降低。

在他們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，把一塊閃亮的鋁加工成漆黑色，并通過(guò)飛秒激光加工制成超吸。所得到的SWSA表面平均吸收率約為97%，水在垂直安裝的表面上高速向上流動(dòng)。此外，水分子與表面的相互作用改變了其分子間鍵，導(dǎo)致蒸發(fā)焓顯著降低。 結(jié)合所有這些特點(diǎn)，他們展示了高效率的太陽(yáng)-熱生成水蒸氣，蒸發(fā)速率超過(guò)了理想的裝置，以100%的效率工作。與大多數(shù)以前的封閉微乳頭基吸收器相比，該SWSA表面有一組與表面平行的開(kāi)放微帽，支持安裝在任何角度的面板上的高的水傳輸速率。因此，SWSA表面可以與商業(yè)的跟蹤太陽(yáng)-熱技術(shù)相結(jié)合，以增加有效蒸汽生成的總可用太陽(yáng)通量。他們還演示了一個(gè)雙面SWSA面板，其效率比單面SWSA高150%。 由于其開(kāi)放式毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，SWSA表面可以很容易地清洗和重復(fù)使用，維護(hù)要求低。 他們的實(shí)驗(yàn)表明，基于SWSA的裝置可以用于從一系列污染物中凈化水，凈化水中的污染物水平低于世衛(wèi)組織和環(huán)保局的安全飲用水標(biāo)準(zhǔn)。 研究機(jī)構(gòu)： l The Institute of Optics， University of Rochester， Rochester， NY， USA

30、塑料廢物的低成本分類

令人震驚的是，全世界50%的塑料生產(chǎn)被一次性使用，然后被處置，導(dǎo)致自然資源的污染和枯竭。雖然回收可以幫助解決這一問(wèn)題，但準(zhǔn)確識(shí)別塑料類型是使其可行的關(guān)鍵步驟。識(shí)別中的任何錯(cuò)誤都會(huì)降低最終產(chǎn)品的質(zhì)量。最近，該團(tuán)隊(duì)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)創(chuàng)造一種成本很低的快速分類塑料廢物的方法。 各種基于激光的塑料分選方法已經(jīng)被報(bào)道，但塑料的顏色和厚度對(duì)它們的性能有很大的影響。LIBS可以幫助克服傳統(tǒng)光譜技術(shù)所面臨的許多困難，只需最小的樣品準(zhǔn)備，并且能夠在事件場(chǎng)景中使用。然而，大多數(shù)基于LIBS的塑料分類研究都使用了原始樣品，并且許多實(shí)驗(yàn)使用了一種Echelle譜儀耦合到一個(gè)強(qiáng)化電荷耦合器件（ES-ICCD），一個(gè)相對(duì)昂貴和笨重的系統(tǒng)，不利于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

利用低成本LIBS系統(tǒng)的光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠快速識(shí)別十種不同類型的消費(fèi)后塑料。使用Czerny Turner CCD光譜儀（CT-CCD）使該系統(tǒng)不僅重量輕、緊湊，而且更便宜，而單鏡頭信號(hào)采集使識(shí)別更快速。使用隨機(jī)森林算法進(jìn)行波長(zhǎng)選擇大大減少了存儲(chǔ)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存，也減少了測(cè)試未知樣本所需的時(shí)間。 該系統(tǒng)能夠成功識(shí)別消費(fèi)后的塑料，平均精度約為97%。他們還系統(tǒng)地研究了數(shù)據(jù)采集條件、光譜儀、信噪比和分析方法（主成分分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林）對(duì)識(shí)別精度和測(cè)試時(shí)間的影響。所有樣品都是從回收廠收集的，模擬實(shí)時(shí)應(yīng)用的條件。 用CT-CCD光譜儀進(jìn)行的分析表明，與用于單次采集的ES-ICCD相比，總體識(shí)別時(shí)間減少了大約15倍。在不到10毫秒的時(shí)間內(nèi)，一個(gè)未知的塑料被歸類為他們研究中使用的十種類型之一。他們相信，這項(xiàng)工作有很大的潛力，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)配置、低成本、緊湊的LIBS系統(tǒng)，快速實(shí)時(shí)分類塑料廢物--并有助于更有效、可行的塑料回收。 研究機(jī)構(gòu)： l University of Hyderabad， Hyderabad， Telangana， India

原文標(biāo)題：年終盤(pán)點(diǎn) | 2020光學(xué)領(lǐng)域30項(xiàng)重大進(jìn)展梳理

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