2021年光学热点回眸（上） | 回眸

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光学是研究光的行为和性质的物理学科，也是与光学工程技术相关的学科，是物理学的一个重要组成部分。

本文回顾了光学领域在2021年的重大进展，盘点了激光惯性约束核聚变、微纳光学、强激光与超快光、超分辨与成像技术、量子计算与光通信这5个领域的重要进展，探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响。

激光惯性约束核聚变

激光惯性约束聚变（ICF）是利用激光作为驱动源，将核燃料压缩到高温高密度，并在燃料飞散之前进行点火和热核燃烧，从而获取聚变能的方法。

ICF领域的研究工作对于建成聚变电站、探索受控热核新能源、研究核武器物理并模拟核爆炸效应，以及极端条件下的物性研究有重要意义。

美国国家点火装置（NIF）是世界上最大的激光聚变实验装置，但十余年来一直未能实现点火。

2021年8月，在NIF上开展的新一轮惯性约束聚变实验的聚变增益达到了输入激光能量的2/3，离真正意义上实现聚变增益大于1的目标更近了一步。

美国国家点火装置NIF

目前国际上运行的高功率纳秒激光系统还有：美国的OMEGA装置、英国的Vulcan装置、法国的LMJ装置、日本的Gekko-XII装置以及中国的神光II和神光III装置。

中国ICF点火研究采取从万焦耳级到10万焦耳级，进而发展到百万焦耳级的渐进式方案，已于2012年建成了共48路光束，输出总能量200 kJ的神光III装置，主要进行ICF的物理分解实验研究。

微纳光学

微纳光学指利用微结构材料作为光学元件的光学分支。

随着生长技术、精密加工技术的进步，其涉及的尺度已下降到纳米量级，包含了许多新的光学特性，必须对其微观光学特征进行研究，由此催生了微纳光学领域的诞生。

光学超表面是一种由亚波长纳米结构阵列组成的人工二维结构。

2021年，研究人员首次展示了基于光学相变材料的电可重构非易失性超表面，并与电微加热器集成，产生了创纪录的半倍频程光谱调谐范围和超过400%的大光学对比度，并实现了动态光束控制。

有源超表面可以实现与涉及机械运动部件的传统精密体光学器件相当的光学质量。

电热超表面切换构造和封装的超表面阵列器件（a）电热超表面切换构造示意；（b）封装的超表面阵列器件

基于超表面的光学全息术具有视场角大、分辨率高等优点。

研究人员提出了一种由几何相位单元组成的四原子宏像素超表面，可以将多个波长的振幅与相位信息编码到任意偏振通道中，还实现了HSB三维色彩空间全息显示，在全息3D成像/显示、信息加密、AR/VR、高密度数据存储等应用中展现出巨大潜力。

全偏振自由度调控彩色全息超表面结构示意（a）k空间调制示意；（b）四原子结构示意

自由曲面光学是近期光学设计革命的基石，它基于自由曲面的内在弯曲形状控制光，而超表面通过光与修饰平面表面的亚波长结构的相互作用实现光控制。

研究人员将超表面和自由曲面光学技术结合，实现了一种新的光学组件，称为超曲面，由与弯曲的自由曲面基板一致的超表面组成。

这为更紧凑的AR/VR眼镜以及从LED照明到医疗和军事光学设备等应用提供了一种可行的技术。

增强现实显示中的超曲面组合器应用示例和超曲面概念图示

（a）增强现实显示中的超曲面组合器应用示例；（b）超曲面概念

基于辐射制冷技术的人体热管理织物在近年来被广泛研究。

2021年，研究人员基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发了具有形态分级结构的超材料织物，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。

研究者基于批量纤维制备技术获得了均匀连续的超材料纤维，进一步利用纺纱织造和层压技术，制备得到了超材料织物，有望打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业。

超材料纤维及织物照片和超材料织物降温性能测试

红外成像是夜视、自动驾驶汽车导航、光学断层扫描和食品质量控制等许多应用中的一项关键技术。

研究人员使用超表面纳米晶体层，只需要一个简单的激光就可以将红外光转换为佩戴者可以看到的图像，在实现红外成像的同时，保证了正常的视觉，为开发用于红外视觉和生命科学的紧凑型红外成像设备开辟了新的机遇。

红外上转换成像过程和效果示意（a）使用超表面的红外上转换成像（b）靶示意（c）不同横向位置的上转换图像

极化激元是由光和物质强耦合作用产生的一种“半光-半物质”准粒子，能够突破衍射极限，将光场压缩聚焦到很小的尺度，实现奇异的微纳光学现象和重要应用。

近年来，各向异性传播的极化激元被广泛研究，不同种类的双曲极化激元一般被归纳为沿着材料界面传播的表面模式和在材料内部传播的体模式。

研究人员证明了在各向异性的双折射晶体方解石中，存在第3种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元，可看成是由表面模式和体模式复合而成，表现出独特的传播特性。

该研究证明了储量丰富、可大规模制备的传统块体极性晶体在微纳光学领域具有极大应用潜力，在振动分子传感、亚波长信息传递、超分辨聚焦成像、纳米尺度辐射调控等诸多方面有着重要的应用前景。

块状方解石晶体界面上的“幽灵”双曲极化激元

科学家们已经可以将半导体激光器、光调制器、低损耗光波导以及光探测器集成在芯片上，而集成光隔离器却成为阻碍将全部光学元件集成在同一芯片上的瓶颈。

研究人员结合集成光子学和微机电系统技术，利用压电氮化铝单片将光隔离器集成在了超低损耗氮化硅光子集成电路上，实现了光隔离器信号耗损的大幅度降低。

无磁氮化物光隔离器原理

强激光与超快光学

超短超强激光是探索物理学、宇宙学、材料科学等未知领域的有力工具。

凭借啁啾脉冲放大（CPA）技术，人们已经实现10 PW的激光能量输出。

研究人员提出了利用双光束泵浦广角非共线光学参量啁啾脉冲放大（WNOPCPA）的设计方案，实现了具有2个宽光谱的超宽带带宽，有望推进艾瓦量级激光器发展。

中国科学院上海光学精密机械研究所在神光II第九路皮秒拍瓦装置上开展激光驱动质子加速实验并取得重大进展，获得了最高能量超过70 MeV的基于靶背鞘场加速机制（TNSA）的高能质子束输出，该结果是目前同类机制下国内已知的最高输出能量。

WNOPCPA概念示意

强激光在军事上有重要的应用。

2021年，美国陆军已将其首个具有作战能力的激光武器原型投入使用。

美国陆军快速能力和关键技术办公室计划在2022财年向实战部队交付4辆Stryker激光战车。

Stryker激光战车

自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的迄今最佳技术途径。

2021年，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室利用自行研制的超强超短激光装置，在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展。

研究团队在实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出，率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。

小型化自由电子激光装置示意

径向偏振激光器可以清晰聚焦并表现出强烈的纵向场，可用于高分辨率成像、光镊和原子捕获等应用。

研究人员设计了对偏振不敏感的超快光参量放大构型，实现了对飞秒径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大，为激活成功教程径向偏振光峰值功率的受限瓶颈提供了新的思路。

在此基础上构建径向偏振的光参量OPCPA系统，有望将径向偏振光的峰值光强提升至相对论强度，为强场物理领域的研究提供新的实验手段。

径向偏振的光参量放大实验装置

传统的光学方法在相对论强度激光场领域已经完全失效。

研究人员利用高分辨光电子成像技术，使用径向偏振的涡旋光束作为驱动光与超音速氙原子进行相互作用，在实验上首次实现了强激光场中光子轨道-自旋耦合过程的探测以及调控，为极紫外光子束的超快时空调控提供了全新途径。

同时该工作首次在实验上证实了在光学聚焦系统中，光子轨道自旋转化的存在，在强光场拓扑结构的原位探测方面也具有深远意义。

这为强场科学以及结构光学的基础研究和应用提供了一个全新的思路，开辟了结构光场驱动的强场电离的研究。

光子轨道-自旋相互作用及强场电离检测实验示意

超分辨与成像技术

光场成像可以同时捕捉入射光线的4D信息，实现多视角观察、数字重新聚焦和深度估计。

研究人员设计了色散消除CALF成像（DECALF）系统，能够处理覆盖整个可见光谱的光，并以20帧/s的速度完成宽带光场成像。

DECALF系统表征

在半导体产业中，需要一种无需近场扫描、纳米加工和荧光标记的方式克服光学衍射极限。

研究人员使用一种硅表面四波混频过程激发的局域倏逝波照明，这种激发波可将目标的部分倏逝波散射到远场，实现超分辨率成像。

基于非线性激发倏逝波的远场超分辨成像工作原理

电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的形式。

研究人员搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统，首次实现了单分子电致化学发光信号的宽场空间成像，并在此基础上成功突破了光学衍射极限，第一次实现了电致化学发光的超分辨成像。

这项技术将作为一项研究工具，为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能。

铟锡氧化物结构的单分子电致化学发光成像

非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息，可以实现对相机视场范围外的目标成像。

研究人员实现了时间分辨能力达到1.4 ps的近红外单光子探测器，使得所搭建的非视域成像系统成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像。

非视域成像实验和重构图像

（a）非视域成像实验装置；（b）重构图像；（c）沿轴线重构的反照率；（d）重构图中像素的距离分布

研究人员还提出了一种基于信号与目标联合正则化的重建方法，重构的非视域目标不但具有清晰的视觉效果，重建误差与现有方法相比显著降低。

基于信号与目标联合正则化重建算法

研究人员提出了数字自适应光学扫描光场互迭代层析成像技术（DAOSLIMIT），在一定范围内，将以毫秒级活体三维连续观测时长从数分钟提高到小时级，活体成像时空分辨率提升2个数量级，光毒性降低3个数量级，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。

DAOSLIMIT概念原理与应用

在三维空间，用光学方法对生物组织进行全面准确观测是公认的难题。

研究人员提出了一种高清晰度、高通量的光学层析显微成像新方法——线照明调制光学层析成像（LiMo），将线照明光强的高斯分布作为一种天然的照明强度调制模式，采用多线探测的方式一次性记录这些被不同强度调制的信号，从而获得清晰的焦面光学层析图像。

研究者基于此进一步发展了高清荧光显微光学切片断层成像技术（HD-fMOST），极大提高了全脑光学成像的数据质量，并显著提高了效率。

HD-fMOST对稀疏标记特定神经元的小鼠全脑进行高清三维成像的结果

多维光学成像能够同时获取探测目标多个维度的信息，为观察和分析探测目标提供了更加充分的条件，其中，超快光学成像可以捕获皮秒甚至飞秒时间尺度的超快动力学场景。

研究人员发明了一种光谱立体压缩超快成像技术（SVCUP），将飞行时间压缩超快成像（ToFCUP）和高光谱压缩超快成像（HCUP）这2种技术结合，提供了一种拓展超快光学成像维度的新方案，实现了立体动态场景的高光谱超快成像，表现出了五维成像性能。

对三维人偶模型的SV-CUP五维成像

量子计算与光通信

随着人们越来越依赖数字网络，快速生成大量高质量的随机数成为网络安全的迫切需要。

研究人员设计了一种芯片级激光二极管，可以超高速率生成随机位，该方法不仅可以极大地提高单个通道中的随机比特率，而且还可以提供数百个通道用于同时生成独立的比特流。

传统的边缘发射半导体激光器和新的系统设计（a）传统的边缘发射半导体激光器（b）新的系统设计

量子中继可以解决光纤直接传输的指数损耗问题，实现远程的量子纠缠分发，是构建大尺度量子网络的基础。

中国科学技术大学研究人员首次实现2个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示量子中继的基本链路，证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用，为实用化高速量子网络的构建打下了坚实的基础。

基于吸收型量子存储器实现量子中继的装置示意

量子密钥分发（QKD）是在2个远程用户之间建立一个共享位串，可用于加密，且能够抵抗量子计算机的攻击。

研究人员开发了双频段稳定技术，使用额外的多路复用波长作为参考来消除快速变化的波动，让原始相位参考进行更简单的微调任务，由此实现了第一个超越600 km和100 db损耗障碍的基于光纤的安全量子通信系统。

双频段稳定实验装置

量子计算需要构建能够最大限度地减少能量耗散并保护脆弱的量子态免受嘈杂环境影响的设备。

研究人员开发了一种光致对称开关，其中光以选择性模式对称扭曲狄拉克材料的晶格，将狄拉克点连贯地分裂为2对外尔点，光生巨大的低耗散电流。

这种声子太赫兹光控制为外尔节点的相干操纵和稳健的量子传输开辟了新天地，这一发现为自旋电子学、拓扑效应晶体管和量子计算带来了巨大的前景。

ZrTe5狄拉克材料中的光诱导外尔点

量子纠缠分发已在光纤链路或者卫星和地面之间的自由空间链路获得成功，以无人机为代表的移动信息平台，可以发挥其机动灵活、组网迅速、成本低廉等优势，与已有的地基、天基量子链路功能互补，有可能构建成即搭即撤的另一种移动量子网络。

研究人员以光学超晶格为核心元件研发了高效集成的偏振纠缠源，配置轻量化高精度跟踪瞄准系统，成功搭载于自主开发的小型多旋翼实验用无人机，实现了飞行中的无人机与地面之间单光子链路连接和光量子纠缠分发。

以此为基础，该团队进而实现了飞行中无人机之间的光量子链路，完成了移动量子节点数“从一到二”的跨越，实现了首个自由空间光学中继的纠缠分发。

有望从根本上解决自由空间量子链路中衍射损耗的核心问题。

基于移动无人机节点的量子网络和物理实现

（a）由多节点结构组成的量子网络；（b）节点之间的中继收发器；（c）光中继示意；（d）衍射损失随光束孔径的变化；（e）使用无人机的移动量子网络方案

本文作者：卢战韬，李林骏，邱丽娟，谢兴龙，朱健强

作者简介：卢战韬，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，博士研究生，研究方向为高功率激光和ICF聚变物理；谢兴龙（通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为超短脉冲激光技术；朱健强（共同通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为高功率激光技术。

论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年光学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。