回顧近一年來發(fā)表的最有趣的光學(xué)和光子學(xué)研究，本年度選擇30個“有趣的故事”來反映光學(xué)和光子科學(xué)和工程領(lǐng)域的工作進展?！豆怆娦畔⒑唸蟆穼@30項進展進行了編譯。

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)，即光線強度聚焦的界面，出現(xiàn)在彩虹和通過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)出強度奇點，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)生或用來作為結(jié)構(gòu)光構(gòu)建的基本實體。

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驗測得的光束界面

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，它們在傳播過程中具有固定的橫向強度分布，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，未來有可能需要任意結(jié)構(gòu)和用高強度梯度來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衍射的。

為了滿足這一需要，科研人員最近開發(fā)了一種通用的方法來設(shè)計、定制和制造具有任意橫向形狀的結(jié)構(gòu)焦散光。他們使用了一個智能光束設(shè)計，有利地結(jié)合了尖銳焦散邊界的高強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。這些強度結(jié)構(gòu)在擾動下是魯棒的，這可能使它們對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，強度集中在任何期望的邊緣曲線周圍。它滿足了在波動物理所有領(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高分辨率納米加工工藝展示出很有前途的前景。

研究機構(gòu)：

l University of Münster, Münster, Germany

l Aix Marseille University and CNRS Institut Fresnel, Marseille, France

l University of Rochester, Rochester, NY, USA

l University of Birmingham, Birmingham, U.K.

l University of Bristol, Bristol, U.K.

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，波浪形成強度增強的通道，隨著它們的傳播而不斷分裂，從而形成一種類似于樹枝的美麗圖案。 它發(fā)生在波以平滑、無序的勢傳播時，相關(guān)長度大于波長。

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，觀察到的分支光流，形成窄的、高強度的分支，在無序介質(zhì)中保持長距離的聚焦。

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制。

最近，科研人員提出了分支光流的實驗觀察。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)，在實驗的參數(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構(gòu)建光滑厚度變化的無序分布，形成無序的相關(guān)能量。

從這些實驗中，提取到了光分支流的統(tǒng)計性質(zhì)。通過將平面波入射到無序膜中，證明了到第一分支的平均距離與測得的能量相關(guān)長度和強度計算的預(yù)測位置相匹配，遵守普遍規(guī)律。此外，通過使用窄束激勵，科研人員觀察到由于能量的相關(guān)性，分支強度的統(tǒng)計顯示出重尾概率分布。最后，科研人員發(fā)現(xiàn)這些分支是高度無衍射的，在均勻介質(zhì)中保持聚焦距離遠大于相同寬度光束的衍射長度。

將分支流引入光學(xué)，為許多新的思想打開了大門，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)和高度強烈的分支帶來了一種新的狀態(tài)，即分支光流可能觸發(fā)極端非線性現(xiàn)象或通過輻射壓力和梯度力產(chǎn)生相互作用和影響無序狀態(tài)。

研究機構(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為是未來光通信的支柱。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，英國南安普敦大學(xué)將空心光纖的損耗降低到0.28db/km，這個值接近標(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，該團隊為這個難題提供了一個有效的解決方案。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實現(xiàn)大規(guī)模的光放大，其系數(shù)為20萬倍。他們還證明，空心芯光纖的增益可以比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖強得多，并且確實可以優(yōu)于波導(dǎo)材料中的任何非線性增益。在實驗中，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，實際上超過了在固體材料中觀察到的布里淵增益。

基于這一原理，該團隊還表明，受激布里淵散射的所有先進應(yīng)用（如光纖激光、分布式傳感和光脈沖時間調(diào)制）都可以很容易地在空心光纖中實現(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，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，因為氣體對施加在光纖上的應(yīng)變不敏感。

研究機構(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，是唯一能夠探測物理和化學(xué)過程的，因為幾乎所有分子和材料的電離能都在這個能量范圍內(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)，識別復(fù)雜混合物中的分子。

圖4.獨特的高通量超快VUV源高級聯(lián)諧波發(fā)生

不幸的是，這種實驗的范圍是有限的，因為很少有高通量的VUV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。氘燈可以進入VUV區(qū)域，大約10eV，但對于許多應(yīng)用來說，當(dāng)與單色器一起使用時，太暗了。最后，Nd：YAG激光器的九次諧波可以在一個簡單、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，以及可變能量和時間分辨率。今年，該團隊報告了一種高級聯(lián)諧波生成(HCHG)技術(shù)，以解決這一挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)通過紅外光纖激光器的上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生UV和VUV譜線，使得每個諧波都有助于形成更高的諧波。通過將兩種顏色(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、負曲率空心芯光纖中，并通過調(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度約為2×1012W/cm2，約比常規(guī)高諧波生成所需的峰值強度低50倍。正如擾動級聯(lián)相互作用所預(yù)期的那樣，每個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個光子時，該光源在光子能量高達10.8eV的情況下可與帶寬類似的同步輻射光源競爭。

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)和探測器死區(qū)時間。最后，小的VUV源尺寸能在一個緊湊的單色器中實現(xiàn)高能量分辨率。這種分辨率對于解決緊密間隔的光譜帶或提供明確的目標(biāo)識別至關(guān)重要。

研究機構(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.相對論相干電子和光的空穴增強耦合。 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，模的空間和時間成像，以及相干拓寬每個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度增加一個數(shù)量級以上。 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)抽運了PhC，并使用電子探針在空間和時間上對模式成像，同時還恢復(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，并實現(xiàn)了與每個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，并繪制了其場分布。還用電子來探測兩個光子腔的環(huán)形時間。

極有效的電子-光耦合導(dǎo)致電子同時吸收和發(fā)射數(shù)百個光子。產(chǎn)生一個相干電子能量梳，延伸到數(shù)百個電子伏特。這些效應(yīng)是通過大幅度延長相互作用的長度和持續(xù)時間，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實現(xiàn)的。

未來的高Q腔，結(jié)合相匹配的相互作用，將使強的電子-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，這些構(gòu)件可以將電子束與先進的光子技術(shù)集成在一起。這將加強光子學(xué)和分析電子顯微鏡的結(jié)合。

研究機構(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額外的諧振器來增強光-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)形時間，限制了響應(yīng)時間。這對全光開關(guān)的設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并在超低能耗和超快響應(yīng)之間進行了權(quán)衡。一個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關(guān)具有巨大的耦合和傳播損失，超過19dB。

最近，該團隊演示了一種替代的全光開關(guān)方法，可以打破這一長期的挑戰(zhàn)：一種基于連續(xù)體(BICs)拓撲保護光束縛態(tài)物理的方法。BICs提供的非常大的Q因子可以促進光子結(jié)構(gòu)對入射電磁波的巨大響應(yīng)，從而增強近場增強。此外，對稱保護的BIC對局部對稱擾動非常敏感。這意味著，通過考慮外部激發(fā)和光學(xué)增益之間的對應(yīng)關(guān)系，人們可以使用泵浦剖面來控制拓撲保護的BICs的遠場激光剖面。

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

對于方形周期晶格，拓撲保護的BIC激光器出現(xiàn)在Г點。當(dāng)系統(tǒng)用圓形光束泵浦時，增益面積保持四倍對稱性，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)域退化到雙重對稱性，輸出就會迅速切換到兩個裂片（lobes）。 相應(yīng)的時間分辨實驗表明，過渡過程發(fā)生在1到1.5ps，數(shù)量級快于相應(yīng)的微激光的壽命。

這種超快控制歸因于先前忽略的BICs的遠場特性。BIC微激光器的遠場光束分布由輻射信道的破壞性干涉決定。因此，遠場剖面中的過渡過程只需要重新分配激光發(fā)射，而不是要求激光模式的開關(guān)。

該工作表明，開關(guān)時間可以獨立于共振壽命。通過進一步利用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。他們認為這種新的交換機制可能對光學(xué)和量子計算產(chǎn)生重大影響。

研究機構(gòu)：

l Harbin Institute of Technology, Shenzhen, China

l Australian National University, Canberra, Australia

7、超高速時頻信號處理

動態(tài)實時頻譜分析(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)用需要實時計算傳入時間信號的傅里葉變換（FT）。此外，這種計算必須以連續(xù)和無間隙的方式進行（即在采集或處理中沒有停頓時間），在GHz范圍以上的瞬時頻率帶寬上進行，時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，包括最先進的數(shù)字信號處理(DSP)方法。 在其他潛在的模擬處理方案中，色散誘導(dǎo)的頻率到時間成像使RT-SA具有短的、孤立的脈沖樣信號，但它不能擴展到實踐中最常發(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處理體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對任意（甚至無限長）輸入波形的無間隙短時傅里葉變換或光譜圖的直接和連續(xù)時間成像——全動態(tài)傅里葉分析或聯(lián)合時頻(T-F)信號表示的主要方法。

圖7. 時間成像譜圖概念下，被測信號(SUT)的時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)相對于彼此延遲了一個量TR。 同時延遲和頻移副本之間的干涉產(chǎn)生了1D時間模式，遵循SUT的2D短時傅里葉變換或光譜圖，以連續(xù)的、無間隙的方式進行。

所提出的方法，稱為時間成像光譜圖(TM-SP)，是驚人的簡單。它包含短脈沖時間采樣的適當(dāng)組合，其次是色散延遲。TM-SP利用了色散誘導(dǎo)的時間Talbot或自成像效應(yīng)的深厚數(shù)學(xué)。利用這一概念，他們設(shè)計并演示了一種基于光子學(xué)的方案，在接近5GHz的瞬時頻率帶寬上實現(xiàn)連續(xù)、無間隙的寬帶微波信號RT-SA，時間分辨率可降至幾納秒，計算速度為每秒近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物理時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時分析和處理提供了全新的可能性。

研究機構(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偏置磁光材料來實現(xiàn)的，但這種技術(shù)缺乏CMOS兼容性。在最近的工作中，該團隊將最先進的制造和逆向設(shè)計相結(jié)合，以實現(xiàn)硅集成器件中無偏置、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)非線性和幾何不對稱。在非對稱雙口諧振器中，腔內(nèi)強度（對于給定的輸入功率）取決于激勵方向。強χ非線性，如硅中的克爾效應(yīng)，引起諧振器頻率的移動，其大小取決于存儲強度，因此取決于激勵端口。由于諧振器頻率控制端口到端口的傳輸，這種機制可以實現(xiàn)在一定功率范圍內(nèi)的大的單向性，特別是當(dāng)設(shè)計成高度不對稱的Fano波面時。雖然僅限于特定形式的激發(fā)，但這種方法是有吸引力的，因為它不需要外部偏置場，并且可以在標(biāo)準(zhǔn)集成光波導(dǎo)中實現(xiàn)。

圖8. 左：單環(huán)設(shè)備（頂部)和級聯(lián)設(shè)備(底部）的掃描電子顯微(SEM)圖像.右上角：幾個單環(huán)（藍點)和級聯(lián)(紅點）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)由一個單環(huán)諧振器組成，通過逆向設(shè)計的耦合器側(cè)耦合到波導(dǎo)。背景反射率和幾何不對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立的參數(shù)，不能同時最大化?？蒲腥藛T通過表征不同的器件提供了該結(jié)論的第一次實驗驗證。背景反射率的精確控制，通過逆向設(shè)計的反射器獲得，允許他們根據(jù)需要優(yōu)化這兩個參量。

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，他們實驗證明，通過在第一個硅環(huán)的特定距離上添加第二個硅環(huán)可以克服這一束縛。這種級聯(lián)設(shè)備的特點是單向的功率范圍為6.3dB和前向傳輸高達98%,很大程度上超越了單諧振器。這些無源、無偏置的單向器件對于保護脈沖源特別有用，并且非常適合渡越時間(time-of-flight)激光雷達系統(tǒng)，正如他們在原理證明中所示。

研究機構(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金屬的使用，這些金屬是損耗性的。許多光在幾個波長的傳播后被吸收，這限制了多元素的設(shè)計?；旌系入x子體精致地將金屬和介質(zhì)結(jié)合在一起，通過在納米尺度上實現(xiàn)光子小型化，同時最小化損耗，減輕了這些限制。然而，到目前為止，大多數(shù)設(shè)計仍然只涉及一次一個光子函數(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）。納米聚焦頂點在金納米點（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)上進行后處理。第一等離子體元件只在幾個波長內(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模式體積。在這個過程中，已經(jīng)顯示出強烈增強的二次諧波產(chǎn)生在金納米點（nanotip），它的頂點約為10nm。 這個實驗使他們能夠估計，相對于等效的金條，納米點的光強增強了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都發(fā)生在小于10μm光傳播的長度上，而傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)是無法實現(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、食品檢驗和危險材料識別等領(lǐng)域至關(guān)重要，因為許多分子共振存在于光譜的這一部分。例如檢測分子特征需要一個較強的光場，這可以通過將光場聚焦到小尺寸來實現(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，該團隊利用石墨烯等離子體(GPs)的特性，擴展了檢測這種特征的工具包。

在石墨烯片內(nèi)與電荷載流子振蕩耦合的電磁場振蕩，可以實現(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，它會屏蔽現(xiàn)有的GPs，并產(chǎn)生更大的壓縮，達到約自由空間波長的1/300。然而，激發(fā)GPs是具有挑戰(zhàn)性的，因此將它們的觀測限制在微米尺度的結(jié)構(gòu)上。這反過來又使他們的禁閉能力降低了幾個數(shù)量級。

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，對于GPMR系統(tǒng)，它達到超過10億，并且比等效的VIS/NIR系統(tǒng)小4個數(shù)量級。

在該工作中，科研人員開發(fā)了一種新的方法來為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，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，單個納米顆粒的性質(zhì)決定了光學(xué)響應(yīng)。每個納米立方體作為GPs的單個空腔，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。這是因為腔作為GP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、等離子體計算復(fù)合眼相機

攝影和顯微鏡中使用的傳統(tǒng)相機采用人眼結(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（FOV）。在自然界中，通過進化來解決這個問題的解決方案是復(fù)合眼，普遍存在于昆蟲和甲殼類動物等最小的動物物種中。

典型的復(fù)眼包括一個密集的陣列，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現(xiàn)。因此，制造人工復(fù)合眼需要開發(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，只能實現(xiàn)小視場（小于70°）。

最近，科研人員報道了一種新的復(fù)合眼相機結(jié)構(gòu)——利用元表面（metasurface)納米光子學(xué)的巨大設(shè)計靈活性和計算成像的先進數(shù)據(jù)處理能力，以平面無透鏡格式提供大于150°的超大視場(FOV)。在這種結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器陣列的每個像素都涂上專門設(shè)計的金屬納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)只發(fā)射沿一個小的、幾何可調(diào)諧的角度分布的光。然后，計算成像技術(shù)能夠從所有像素的組合信號中進行高質(zhì)量的圖像重建。他們設(shè)計、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，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：常見節(jié)肢動物的復(fù)眼. 頂部中間：開發(fā)的設(shè)備示意圖. 右上角：設(shè)計仿真結(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

由于它的無透鏡性質(zhì)，這種方法可以比現(xiàn)有方案實現(xiàn)進一步的小型化和更高的分辨率，以及一個潛在的簡單的制造工藝，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和無人機自主導(dǎo)航。此外，元表面（metasurface）技術(shù)和計算成像的協(xié)同結(jié)合有望實現(xiàn)先進的成像功能。

研究機構(gòu)：

l Boston University, Boston, MA, USA

12、用光進行納米繪畫

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，該團隊展示了用一個特殊設(shè)計的元表面來調(diào)整透射光中的顏色色調(diào)和亮度的能力——創(chuàng)造了一幅有足夠細節(jié)水平的“納米畫”，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)工作都集中在實現(xiàn)高色域和飽和度，同時在傳輸或反射時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，因此需要對亮度和色調(diào)進行有效和平滑的調(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有效控制整個可見光譜范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)顏色的亮度實現(xiàn)納米繪畫的能力——一幅毫米尺度的圖像顯示微妙的顏色和陰影細節(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)生全彩色納米畫的原理圖。插圖：制備的TiO2納米顆粒。標(biāo)尺：500 nm

右：白光通過偏振片、元表面和分析器產(chǎn)生的實驗彩色圖像。 標(biāo)尺：50μm

納米顆粒被設(shè)計成單獨的窄帶半波板，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的高分辨率復(fù)制品，展示了它的標(biāo)志性主題，穿著藍色頭巾、金色夾克、明亮的白領(lǐng)和發(fā)光的珍珠耳環(huán)。場景沐浴在定向光中，戲劇性的外圍陰影無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)了一種類似于油畫的外觀——說明納米技術(shù)能夠滿足Vermeer對顏色、光和陰影的熟練渲染。

研究機構(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，通過將“成像”現(xiàn)象簡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任意的函數(shù)。（這里指的是標(biāo)量電磁場的相位，但是這個參數(shù)對矢量場同樣有效。）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自由參數(shù)，通過仔細設(shè)計不同的衍射表面，可以使平面、多級衍射透鏡(MDLs)的成像特性具有前所未有的通用性。他們在這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：多級衍射透鏡(MDLs)可以實現(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的實驗演示。 底部行：在可見光(Strehl比=0.8)、近紅外(NIR)和長波紅外(LWIR)波段拍攝MDL圖像。 最右邊的面板顯示具有單個MDL和多個傳感器的可見光-近紅外(NIR)-長波紅外(LWIR)復(fù)合圖像。

他們已經(jīng)演示了一個MDL，實現(xiàn)了超過四個數(shù)量級的極端聚焦深度。使用這個平板透鏡，在實驗中他們能夠?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，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)、可見到近紅外(0.45-1μm)、可見到LWIR(0.45-15μm)、甚至遠紅外(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，工作波長為850nm(帶寬約為35nm)的MDL。

研究機構(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、微型顯微鏡或醫(yī)用內(nèi)窺鏡的遠端需要復(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在光學(xué)實驗室之外的應(yīng)用。

科研人員最近證明準(zhǔn)無色差 、偏振不敏感的電氣元件，可以應(yīng)用預(yù)定的、連續(xù)的局部波前整形實現(xiàn)，在微尺度上具有前所未有的自由度－－沒有任何機械運動。他們稱這種方法為智能透鏡（Smartlens），電流通過一個良好優(yōu)化的微米級電阻來調(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熱空氣來制造遙遠湖泊的錯覺一樣，這個微尺度的熱區(qū)可以精確地控制光束偏轉(zhuǎn)。小的，微米級的智能透鏡（Smartlenses）迅速升溫降溫；在毫秒內(nèi)，一片簡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)的實驗波陣面。

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)的色差相對較小，通過激活位于它們前面的智能透鏡（Smartlenses），可以同時將位于非常不同距離的幾個彩色物體聚焦到相機傳感器上。此外，通過對熱擴散和光傳播的建模，并利用遺傳算法進行優(yōu)化，他們證明了這種方法可以超越簡單的透鏡。事實上，一個適當(dāng)?shù)墓こ屉娮杵骺梢杂酶咚降目刂苼沓尚喂馐崿F(xiàn)廣泛的光學(xué)功能，包括散光、軸突或自由形狀－－例如，動態(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、成本效益高和可擴展。他們認為，它有潛力應(yīng)用于高端技術(shù)系統(tǒng)以及簡單的面向最終用戶的成像設(shè)備，并可能對當(dāng)前的集成光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。

研究機構(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。為實現(xiàn)亞衍射聚焦，開發(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實現(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)使用不同波長被樣品強烈吸收的輔助光束（紅色）。在水基溶液中，折射率的溫度依賴性為負(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)探針光束通過受控成形的微透鏡（準(zhǔn)直或聚焦）時，它將收斂到比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)能達到的更小的焦點，正如他們實驗證實的那樣。

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驗比較。右：掃描顯微鏡圖像USAF分辨率圖：沒有渦旋板（左)和有渦旋板(右）。可以定量地從標(biāo)記區(qū)域的線圖看到圖像分辨率增強。

由于成形熱廓線需要短脈沖持續(xù)時間，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。較小的焦點也可以作為掃描探針，在沒有任何標(biāo)記過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)上實現(xiàn)了很高的靈活性。

研究機構(gòu)：

l University of Maryland, College Park, MD, USA