2020光學領域30項重大進展梳理

近日，《光學與光子學新聞》（Optics & Photonics News， OPN）回顧近一年來發(fā)表的最有趣的光學和光子學研究，本年度選擇30個“有趣的故事”來反映光學和光子科學和工程領域的工作進展?！?a target="_blank">光電信息簡報》對這30項進展進行了編譯。

1、定制焦散技術（Customizing Causitics）

焦散技術（Causitics）——由曲面或物體反射或折射光線的包絡技術，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，可以分為復雜的類別。盡管焦散物質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生或用來作為結構光構建的基本實體。

圖1.焦散結構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構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性大大改善了光學薄片顯微鏡和三維陷阱等應用。

然而，未來有可能需要任意結構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計、定制和制造具有任意橫向形狀的結構焦散光。他們使用了一個智能光束設計，有利地結合了尖銳焦散邊界的高強度特征和傳播不變性。已經展示了各種傳播不變的形狀，如線形、拋物線形或類星形，但也有復雜的形狀，如字母。這些強度結構在擾動下是魯棒的，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生出一組完整的定制的、結構傳播不變的焦散光，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域，包括連續(xù)波或脈沖光、電子束、聲波或彈性波等領域定制高強度分布的需要，并為具有復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。

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，在無序介質中保持長距離的聚焦。

在高散射介質中，支流基本上構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--肥皂膜內傳播。膜作為二維（平板）波導，在實驗的參數范圍內，支持單一的波導模。膜的局部厚度變化導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建光滑厚度變化的無序分布，形成無序的相關能量。 從這些實驗中，提取到了光分支流的統(tǒng)計性質。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長度和強度計算的預測位置相匹配，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，為許多新的思想打開了大門，例如非線性介質中的分支流、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生相互作用和影響無序狀態(tài)。 研究機構： 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。2020年，英國南安普敦大學將空心光纖的損耗降低到0.28db/km，這個值接近標準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（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，其系數為20萬倍。

他們還證明，空心芯光纖的增益可以比標準單模光纖強得多，并且確實可以優(yōu)于波導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用（如光纖激光、分布式傳感和光脈沖時間調制）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。它還有一關鍵的優(yōu)勢，以前空心光纖因存在完全自由的應變——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變不敏感。 研究機構： 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。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構，以及光電離質譜法（PIMS），識別復雜混合物中的分子。

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。 同步加速器設施以高脈沖重復頻率提供明亮的VUV光，在廣泛的光子能量范圍內具有高能量分辨率。然而，這些設施的使用有限，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，但對于許多應用來說，當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，但具有較低的重復頻率。 在ARPES和PIMS中應用的理想VUV光源將具有高通量、高重復頻率（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，以解決這一挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)通過紅外光纖激光器的上轉換產生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，并通過調整氙氣壓力以提供最佳的相位匹配，產生了3次到15次的偶數和奇數諧波。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)相互作用所預期的那樣，每個諧波處的通量隨諧波次數的提高而減小。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源的高重復頻率可以最大限度地減少空間電荷效應、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識別至關重要。 研究機構： 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

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、電子映射的光學能帶結構和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量級以上。 研究了一種光子晶體腔（PhC）和一種光學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，同時還恢復了完整的光學能帶結構。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-光耦合導致電子同時吸收和發(fā)射數百個光子。產生一個相干電子能量梳，延伸到數百個電子伏特。這些效應是通過大幅度延長相互作用的長度和持續(xù)時間，結合電子速度和光相速度沿電子軌跡在數百微米上的精確匹配來實現(xiàn)的。 未來的高Q腔，結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。 微諧振器和其他光子腔代表了許多關鍵構件中的第一個，這些構件可以將電子束與先進的光子技術集成在一起。這將加強光子學和分析電子顯微鏡的結合。 研究機構： 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，超快全光開關依賴于光學材料中的非線性響應。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，限制了響應時間。這對全光開關的設計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，并在超低能耗和超快響應之間進行了權衡。一個潛在的解決方案是具有低質量（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構對入射電磁波的巨大響應，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)和光學增益之間的對應關系，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。當系統(tǒng)用圓形光束泵浦時，增益面積保持四倍對稱性，并產生具有甜甜圈（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）。 相應的時間分辨實驗表明，過渡過程發(fā)生在1到1.5ps，數量級快于相應的微激光的壽命。 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。 該工作表明，開關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之間的權衡最終可能被打破。他們認為這種新的交換機制可能對光學和量子計算產生重大影響。 研究機構： 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用的基礎，包括寬帶通信和雷達技術、超快表征、傳感和光譜以及射電天文學研究。這些應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。 這些性能指標超出了現(xiàn)有RT-SA解決方案的范圍，包括最先進的數字信號處理（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構，該體系結構實現(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，產生一組SUT的頻移副本。

隨后，通過頻率相關（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組合，其次是色散延遲。

TM-SP利用了色散誘導的時間Talbot或自成像效應的深厚數學。利用這一概念，他們設計并演示了一種基于光子學的方案，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，滿足了廣泛領域的關鍵需求。 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： 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、硅光子學中的單向器件

在自由空間光學中，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計相結合，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，涉及光學非線性和幾何不對稱。在非對稱雙口諧振器中，腔內強度（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，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)在一定功率范圍內的大的單向性，特別是當設計成高度不對稱的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，并且可以在標準集成光波導中實現(xiàn)。

圖8. 左：單環(huán)設備（頂部）和級聯(lián)設備（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）設備的傳輸與單向功率范圍性能。單環(huán)設備必須放置在陰影區(qū)域。

該裝置的幾何結構由一個單環(huán)諧振器組成，通過逆向設計的耦合器側耦合到波導。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，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論的第一次實驗驗證。背景反射率的精確控制，通過逆向設計的反射器獲得，允許他們根據需要優(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： 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計。混合等離子體精致地將金屬和介質結合在一起，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，大多數設計仍然只涉及一次一個光子函數。一種模塊化的等離子體處理方法，一種能夠將不同的金屬部件組裝到現(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)標準波導原理圖，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（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/金納米層結構形成的兩個不同的等離子體元件可以在標準的近紅外硅光子波導上進行后處理。第一等離子體元件只在幾個波長內有效地旋轉入射偏振；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，已經顯示出強烈增強的二次諧波產生在金納米點（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、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)的介電波導是無法實現(xiàn)的。 該技術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域有著廣泛的應用。該模塊化方法從根本上使混合等離子體技術更容易獲得。 研究機構： 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域至關重要，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構上。這反過來又使他們的禁閉能力降低了幾個數量級。

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)，當銀納米顆粒的濃度變化但大小保持不變時，只有響應的振幅發(fā)生變化，而不同尺寸的納米顆粒產生不同的光譜響應。 因此，單個納米顆粒的性質決定了光學響應。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： 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、等離子體計算復合眼相機

攝影和顯微鏡中使用的傳統(tǒng)相機采用人眼結構；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。這種設置可以提供良好的空間分辨率，但由于像差效應，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準的平面半導體技術不兼容，嚴重復雜化了它們的光電實現(xiàn)。

因此，制造人工復合眼需要開發(fā)復雜的非傳統(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被研究，但受微透鏡f數限制，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合眼相機結構——利用元表面（metasurface）納米光子學的巨大設計靈活性和計算成像的先進數據處理能力，以平面無透鏡格式提供大于150°的超大視場（FOV）。在這種結構中，標準圖像傳感器陣列的每個像素都涂上專門設計的金屬納米結構。該結構只發(fā)射沿一個小的、幾何可調諧的角度分布的光。然后，計算成像技術能夠從所有像素的組合信號中進行高質量的圖像重建。他們設計、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，然后根據它們的角度響應圖展示了它們的成像能力。

圖11. 左上：常見節(jié)肢動物的復眼。 頂部中間：開發(fā)的設備示意圖。 右上角：設計仿真結果顯示了不同器件響應率的極角依賴性。 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，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。他們相信，這些結果對于需要極端尺寸小型化和超大FOV的應用是非常重要的，例如尖端芯片（chip-on-the-tip）內窺鏡、可植入或可吞咽的相機和無人機自主導航。此外，元表面（metasurface）技術和計算成像的協(xié)同結合有望實現(xiàn)先進的成像功能。 研究機構： 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果，是人類視覺感知的主要屬性。它在成像和顯示技術以及藝術方面都起著至關重要的作用。在今年的工作中，該團隊展示了用一個特殊設計的元表面來調整透射光中的顏色色調和亮度的能力——創(chuàng)造了一幅有足夠細節(jié)水平的“納米畫”，再現(xiàn)了一件著名的藝術品。 使用納米結構表面的顏色工程領域的大多數工作都集中在實現(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。雖然這種設備表現(xiàn)出較高的傳輸或反射效率，但產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進行有效和平滑的調整傳輸透視、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結構顏色的亮度實現(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實現(xiàn)了復制1665年荷蘭藝術家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以及旋轉方向，由此決定了亮度。

圖12. 左：產生全彩色納米畫的原理圖。插圖：制備的TiO2納米顆粒。標尺：500 nm 右：白光通過偏振片、元表面和分析器產生的實驗彩色圖像。

標尺：50μm 納米顆粒被設計成單獨的窄帶半波板，能夠旋轉線性偏振入射光的偏振，用于目標濾色——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制品，展示了它的標志性主題，穿著藍色頭巾、金色夾克、明亮的白領和發(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。非常平滑的色調和亮度轉換再現(xiàn)了一種類似于油畫的外觀——說明納米技術能夠滿足Vermeer對顏色、光和陰影的熟練渲染。 研究機構： 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

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)的衍射光學鏡片的有天花板，主要是由于存在色差。 最近，科研人員已經證明，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。（這里指的是標量電磁場的相位，但是這個參數對矢量場同樣有效。）在絕大多數成像應用中，只有圖像傳感器記錄的強度才是產生圖像的主要興趣。 應用這一概念，他們已經證明，允許平面透鏡的圖像平面中的相位是一個自由參數，通過仔細設計不同的衍射表面，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）和高數值孔徑。在不同情況下，設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）復合圖像。

他們已經演示了一個MDL，實現(xiàn)了超過四個數量級的極端聚焦深度。使用這個平板透鏡，在實驗中他們能夠對分離距離大約為6米的物體保持巨焦。當λ=0.85μm的準直光線照射時，MDL產生了一束聚焦在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： 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

將可調變焦鏡頭集成到毫米厚的手機、微型顯微鏡或醫(yī)用內窺鏡的遠端需要復雜的光學系統(tǒng)，可以在毫秒內電整形。雖然液晶空間光調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實驗室之外的應用。 科研人員最近證明準無色差 、偏振不敏感的電氣元件，可以應用預定的、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。小的，微米級的智能透鏡（Smartlenses）迅速升溫降溫；在毫秒內，一片簡單的聚合物可以變成透鏡和背面。

圖14. 頂部：可調諧微光學器件（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，由于大多數熱光系數的色差相對較小，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，一個適當的工程電阻器可以用高水平的控制來成形光束，并實現(xiàn)廣泛的光學功能，包括散光、軸突或自由形狀－－例如，動態(tài)校正光學儀器的像差。值得注意的是，智能透鏡（Smartlens）技術非常緊湊、成本效益高和可擴展。他們認為，它有潛力應用于高端技術系統(tǒng)以及簡單的面向最終用戶的成像設備，并可能對當前的集成光學系統(tǒng)產生重大影響。 研究機構： 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科學中最大的挑戰(zhàn)之一，并將使許多光學技術（從成像、光學捕獲到光傳遞、光子醫(yī)學）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，不需要額外的光學元件或外源標記，只使用光和物質相互作用。 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生折射率梯度，在環(huán)的中心有最高的折射率，并且指數單調地向邊沿下降。這一過程有效地形成了直徑等于光學衍射極限的瞬態(tài)收斂微透鏡。因此，當探針光束通過受控成形的微透鏡（準直或聚焦）時，它將收斂到比傳統(tǒng)光學系統(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，使其適合于生物應用。較小的焦點也可以作為掃描探針，在沒有任何標記過程或材料插入的情況下以優(yōu)異的分辨率成像，在光學結構上實現(xiàn)了很高的靈活性。 研究機構： l University of Maryland， College Park， MD， USA

16、構造光子氣旋

光子攜帶角動量，包括與旋轉極化矢量相關的自旋角動量（SAM）和與螺旋相位相連的軌道角動量（OAM）。光子角動量子態(tài)的附加自由度激發(fā)了大量的理論和實驗研究，在經典光學和量子光學中都有廣泛的應用。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注。

圖16. 左：帶有橫向OAM的時空光學渦旋（STOV）和帶有縱向OAM（頂部）的空間渦旋的示意圖，以及顯示產生的STOV（底部）相位結構的干涉條紋。 中心左：重建的STOV相位（頂部），和重建的STOV三維強度分布（底部）。 中心右：帶有時間變化的OAM波包的相位和強度分布。 右：STOV的亞波長聚焦：STOV的三維強度聚焦（頂部）和相應的相位投影（底部）

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

該團隊所開發(fā)的簡單和非常靈活的生成方法為光學和光子設計的光子角動量研究開辟了一個全新的方向。通過重新設計要加載在時空域上的相位模式，他們演示了一個嵌入時變橫向OAM的波包，該波包具有子皮秒（PS）時間分離。超快時間OAM變化可以應用到高速光通信和納米結構的超快操縱。這種光-物質局域相互作用的能力對于這些應用至關重要。然而，當時空波包通過高數字孔徑物鏡聚焦時，時空散光效應就會出現(xiàn)，從而破壞時空渦旋。用圓柱透鏡模轉換器來模擬空間OAM，通過對相位和振幅調制的波包進行預處理，實現(xiàn)了具有橫向OAM的亞波長STOV。 他們預計，這些研究將推動對這一新興領域的更多研究，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用中開辟新的途徑。 研究機構： l University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， China l University of Dayton， OH， USA

17、超常光束調制與普通的格林（Grin）鏡頭

應力引起的雙折射通常被認為是一種討厭的現(xiàn)象，它發(fā)生在包括梯度指數（GRIN）透鏡的制造等的許多光學過程中。最近，該團隊表明，這一不必要的缺陷實際上可以被處理和開發(fā)出新的應用，超越傳統(tǒng)GRIN透鏡的使用，包括矢量渦旋光束產生，焦點修改和快照Mueller矩陣極化測量。

圖17. 通過GRIN透鏡級聯(lián)產生的矢量光束選樣

GRIN透鏡通過徑向對稱折射率剖面聚焦光。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、質量低、尺寸小等方面具有自己獨特的優(yōu)點。因此，它們被廣泛應用于緊湊的成像系統(tǒng)或與光纖或波導耦合。然而，構造這些透鏡的指數剖面的離子交換制造過程也會導致雙折射的徑向對稱變化。這種特性會導致額外的偏振像差進入基于GRIN透鏡的系統(tǒng)。制造過程被優(yōu)化，以保持這些像差（在許多應用中的一個缺點）到最低限度。

他們證明，這些相同的特性可以作為光束產生和分析的基礎，或者用來擴展當前基于GRIN透鏡的成像系統(tǒng)的能力。通過將一個或多個GRIN透鏡與其他光學元件級聯(lián)，它們的本征雙折射可以用來產生矢量渦旋光束--具有復雜相位和偏振特性的矢量光束。在這項工作中，他們采取了一個共同的光學設備，并表明它可以以新的方式使用，以大大增強結構光工具包和產生各種光束。 此外，通過與其他光學器件的適當組合，調整GRIN透鏡內部的偏振像差，他們表明，有可能對這種透鏡的焦點進行調制，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聯(lián)GRIN透鏡的快照Mueller矩陣極化法的新方式--也驗證了它相對于傳統(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。 總的來說，GRIN透鏡的雙折射及其與其他無源/有源光學元件的級聯(lián)組合為進一步的技術發(fā)展提供了豐富的機會。他們相信這種技術有可能在廣泛的應用中受益，從量子光學到臨床診斷。 研究機構： l University of Oxford， Oxford， U.K.

18、遠距離單光子成像

遠距離主動成像在包括遙感和目標識別在內的廣泛應用具有相當大的興趣。 單光子光探測和測距（激光雷達）具有單光子靈敏度和皮秒時間分辨率，對于遠距離成像是可取的。

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

這一領域取得了重要進展，并報告了10公里范圍的三維成像。然而，進一步擴大成像范圍帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因為只有微弱的回波光子返回，并與強噪聲混合。今年，該團隊能夠顯著地擴展成像范圍，并大大超過以前的單光子成像范圍記錄。在他們的實驗中，他們在城市環(huán)境中演示了長達45公里的單光子三維成像，信號水平為每個像素~1個光子。 他們開發(fā)了一種專門為遠程單光子激光雷達設計的基于硬件和軟件實現(xiàn)的先進技術。在硬件上，他們構建了一個高效、低噪聲同軸掃描系統(tǒng)，既提高了對弱回波光子的有效采集能力，又提高了對背景噪聲的抑制能力。在軟件上，他們開發(fā)了一種計算算法，可以在低光子檢測的情況下實現(xiàn)超分辨率能力和高光子效率。 該系統(tǒng)代表了超長距離低功率高分辨率激光雷達的一個重要里程碑。這些結果不僅可能用于遙感和監(jiān)視的新成像系統(tǒng)，而且對成像科學中最終靈敏度極限的基本問題也有重要的意義。 研究機構： l University of Science and Technology of China， Hefei， China

19、通過測量時間獲得圖像

獲得一個場景的圖像是明顯和直觀的。從場景中的每個物體反射的光被鏡頭收集起來，并投影（成像）到記錄光強的像素陣列（傳感器）。這一基本的操作原理就是照相機，比如手機里的照相機。一種最近開發(fā)的替代技術，單像素成像，這種技術依賴于使用一個照明像素陣列，而不是探測器。通過以某種形式對場景進行空間掃描，并用單像素傳感器測量從場景中反射回來的總強度，可以形成一幅圖像。將這些方法擴展到3D是可能的，例如，通過立體視覺和飛行時間技術。

圖19. 場景用脈沖激光（左）閃光照明的時間測量成像。單點探測器以時間直方圖（右上）的形式記錄來自整個場景的光子的到達時間，該直方圖由圖像檢索算法處理，呈現(xiàn)3D圖像（右下角）。

探測器或照明中，在沒有空間感知的情況下形成一幅圖像似乎是一項不可能的任務。然而，在該團隊最近的工作中，他們確切地問自己，如何做到這一點。為了解決這個問題，他們使用了一個具有時間分辨能力的單點傳感器--也就是說，一個沒有空間分辨率的傳感器，而是測量光子從場景中到達的時間。在該方法中，場景用脈沖激光進行泛光照明，返回光用單點單光子雪崩二極管（SPAD）探測器聚焦和收集。探測器以時間直方圖的形式提供來自整個場景的返回光子的到達時間，然后用AI算法在3D中表達場景。通過使用這種方法，他們實現(xiàn)了不同場景的多個人的三維成像，景深可達4米。 一個時間分辨的單像素傳感器足以進行空間成像，這一事實拓寬了傳統(tǒng)上被認為構成圖像信息的范圍。同樣的概念可以轉移到任何能夠用短脈沖探測場景并精確測量返回“回波”的設備，例如雷達和聲距離傳感器。這為利用現(xiàn)有技術進行成像和傳感開辟了多種可能性，特別是關于自動駕駛車輛、智能設備和可穿戴技術的應用。 研究機構： 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構

光子結構是許多動物生動的顏色，也是視覺中的反射器和過濾器。一個這樣的反射器是膜狀層（tapetum），它位于眼睛的光感受器后面。第一次沒有被視網膜吸收的光子被膜狀層（tapetum）反射回來，以獲得第二次吸收的機會，增加了眼睛的靈敏度。 該團隊最近的工作表明，在幾種十足類甲殼動物中，膜狀層（tapetum）由直徑約300nm的球形納米粒子組成。每個球體都由板狀的等黃翅目昆蟲晶體組成，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，導致不同偏振光的折射率不同。在每個粒子中，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（藍色）與有效各向同性介質（紅色）制成的球殼的后向散射效率。 右下角：球晶（藍色）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。

出于對雙折射在這些反射結構性能中的作用的好奇，他們計算了單個異黃蕨類植物球晶的后向散射特性。他們發(fā)現(xiàn)，雙折射導致可見光波長的后向散射強度增加了兩倍，特別是在光譜的藍色區(qū)域，這與海洋甲殼動物的視覺最相關。在這種面心立方結構粒子中，雙折射在藍色波長下產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構上，這是由于光子能帶結構在相關傳播方向上的偽隙（pseudogaps）所致。 每個球晶的旋轉對稱性保證了單個球晶取向不影響整個組件的光學性能。每個球晶的直徑和殼層厚度似乎都是通過進化來優(yōu)化的，以在光譜的藍色區(qū)域實現(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，并推動了進一步的研究，以利用雙折射的空間變化設計超薄反射光子結構。 研究機構： l Weizmann Institute of Science， Rehovot， Israel l Ben-Gurion University of the Negev， Beer-Sheva， Israel

21、超黑色深海魚類

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）可用于望遠鏡、照相機和光學設備中在探測器之前吸收雜散光，或改進吸收器（如太陽能電池板）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，每一千個光子中只有少于一個能反射。 最近，科學家發(fā)現(xiàn)了幾種超黑色的動物。由于在這些動物中創(chuàng)造超黑色著色的結構必須經得起動物生命中的磨損，它們?yōu)闃嬙祠敯舻某谏牧咸峁┝藵撛诘撵`感。今年，該小組報告了一種可能已經多次進化的簡單的色素堆積機制，能在深海魚類中產生超黑皮膚。深海魚類是地球上最黑的動物之一，也是已知的第一種水生超黑動物。導致它們皮膚著色的進化方法克服了大多數超黑色材料的疏水性。這些魚的皮膚含有橢球狀的黑色素體（含黑色素的細胞器）這些細胞器被隨機地包裹在連續(xù)的黑色素體層中。當光照射到黑素體層時，單個黑素體將光分散在該層中，有機會被吸收，而不是被反射回光源。

圖21. 左圖：美國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數值模擬表明，超黑深海魚類（白色圓圈）的黑素體大小和幾何形狀得到了很好的優(yōu)化，相對于其他脊椎動物物種（灰色三角形）， 大大減小了反射率。

利用時域有限差分模型，對超黑魚的黑素體進行了尺寸和形狀優(yōu)化，以減小反射率。超黑魚中的黑色小體比其他魚類更大、更長，他們的模型預測，這種形狀的差異使反射率降低了50%以上。他們認為，這種超黑色的皮膚能在一個漆黑的深海背景的生物發(fā)光中隱蔽魚類。與其他天然和人造的超黑色材料一樣，這些魚類依賴于兩個過程：吸收和散射。在鳥類和蝴蝶中，散射來自角蛋白或甲殼素納米結構，吸收來自嵌入在這些基質中的黑色素。然而，在魚類中，散射和吸收都來自相同的成分：黑色素體。從仿生的角度來看，這種更簡單的設計可以不需要構造精心控制的納米結構。隨機緊密包裹的納米粒子的正確大小和形狀提供了一個潛在的解決方案，以構造魯棒的、易于制造的超黑色材料。 研究機構： 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)境中預期的現(xiàn)象，如玻璃窗和陽光。然而，單向傳播的可能性是許多光學應用的基礎，從用于通信的信號處理設備到如哈利波特式的隱形斗篷等異想天開的例子。在隱形斗篷的情況下，單向光傳播對于隱藏是必不可少的，并且正在研究通過合成材料或超材料來實現(xiàn)這個場景的方法。該團隊在最近的工作表明，相對于入射角的遠紅外頻率的單向光傳播可以發(fā)生在簡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響應似乎違反直覺，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的，并且在接近共振頻率的情況下，由于雙曲色散可能會產生包括負折射等的超材料類光學行為，也就是說，介電常數張量的主分量是負的。此外，通過改變晶體表面的各向異性方向來控制這些共振，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：兩個不同方向的入射光束的插圖。左下角：正（藍線）和反（紅線）入射光束的理論（實線）和實驗（虛線）吸收光譜。右：作為入射角和頻率的函數的吸收率圖。 在用這些材料進行的實驗中，他們發(fā)現(xiàn)頻率接近550cm-1（相當于18μm波長）和負入射角時觀察到最大吸收，而對于正入射角吸收接近最小。他們的結果支持了自然晶體可以作為高效的功能取向的不對稱吸收體的想法。這些特性，加上它們的廣泛可用性，產生了這些材料的一些應用，如在開發(fā)集成芯片設備時石英的使用那樣。 研究機構： 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

視覺能夠與環(huán)境進行充分的感官互動，理解環(huán)境的復雜性和徹底地知情決策。因此，視覺通常被認為是最重要的感官。最簡單的描述是，人眼是一個由兩個光學透鏡組成的系統(tǒng)：角膜、晶體透鏡、以及一個屏幕，即視網膜，在這個屏幕上形成來自透鏡的圖像。在最近的工作中，該團隊展示了如何使用單功能來模擬晶狀體的光學響應，他們相信這一進展將為諸如人工種植透鏡和更廣泛的光學領域的應用設計提供參考。

圖23. 左：水平面與泊松高斯函數的交點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特性可以通過單個參數與透鏡幾何形狀的變化有關，從而形成晶體透鏡的動態(tài)模型。

晶狀體在圖像精細聚焦中的關鍵作用是通過其形狀的變化及其不均勻折射率或梯度折射率（GRIN）來實現(xiàn)的。后一種屬性代表了一個進化過程的結果，即使是現(xiàn)代材料科學和技術，也很難復制。一個原因是，創(chuàng)建一個同時包含兩個參數的晶狀體模型一直是一項艱巨的任務。由于晶狀體的不對稱性，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，盡管一個參數的變化可以改變另一個參數。

在今年發(fā)表的工作中，該團隊提出了一個克服這一缺點的模型，關注GRIN與透鏡形狀之間的動態(tài)相互關系，以及當透鏡改變焦點時，它們是如何同時變化的。他們的工作表明，通過結合兩個統(tǒng)計函數（泊松和高斯分布）可以創(chuàng)建一個動態(tài)的3D模型，既考慮了GRIN，也考慮了當鏡頭形狀被調整以使聚焦在很寬的距離范圍內時它是如何變化的。這意味著模型密切模仿生物透鏡的功能。 這種先進的鏡頭模型融入到一個有最小的像差的示范眼睛中，預期會產生像人眼一樣的功能。此外，該設計可以針對不同年齡的眼睛進行修改。隨著組織工程和三維生物打印的最新進展，可以證明該模型可用于人工晶狀體的創(chuàng)建和白內障手術后個性化人工晶狀體的設計相關。他們認為，它在生物醫(yī)學光學、眼科和工程學科等領域也有更廣泛的潛在應用。 研究機構： 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行心臟傳感

跳動的心臟代表了一個要求異常苛刻的環(huán)境，由于超快的組織動力學和嚴重的密集的肌肉纖維光散射，即使用最先進的顯微鏡技術也是如此。然而，單個心臟細胞收縮的特征對于理解心臟病、改善心臟移植和推進心臟干細胞治療具有根本重要性。為了克服心臟傳感面臨的局限性，該團隊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胞胞漿內有聚合物微激光（綠色），周圍有肉瘤蛋白cTnT（灰色）和細胞核（洋紅）。標尺：10μm. 頂部中心：附著在斑馬魚心臟上的微油。 標尺：50μm. 左下角：一個連續(xù)激發(fā)的細胞內微激光器的重建折射率剖面，顯示單細胞水平上的詳細收縮信息。 右：圖示活體心肌切片心肌收縮力的測量，可達組織厚度400μm。

此前已經證明球形whispering-gallery-mode微激光器可以被各種生物細胞主動內化而成，并且在遠程光泵浦下在這些單個細胞內產生自我維持的激光發(fā)射。 該團隊發(fā)現(xiàn)，由于微激光器對折射率局部變化的敏感性，對放置在心肌細胞（cardiomyocytes）中的微激光器的發(fā)射光譜進行分析，能夠在其直接環(huán)境中提取收縮力的瞬態(tài)分布。結果是定量的，與形成肌纖維的收縮絲（肌原纖維）的蛋白質密度有關。每個微激光的光譜剖面也提供了一個獨特的光學條形碼，以在長時間內跟蹤單個心臟細胞。

為了探索基于微激光的收縮探針的平移視圖，在活斑馬魚的心臟中進行了光學心臟傳感。記錄了詳細的單細胞收縮力剖面，表明該技術不受心臟本身快速運動的影響。最后，他們探索了通過將微激光器集成到活的心肌切片中來檢測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法解決切片中單個細胞的收縮，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，能夠可靠地檢測到高達400μm的組織深度的收縮力，而不需要多光子激發(fā)。結合新開發(fā)的納米激光器，這項技術可以開發(fā)新的平移方法，在跳動的心臟深處可靠地非侵入性獲取移植細胞和人工心臟組織的功能特性。 研究機構： l University of St. Andrews， St. Andrews， U.K.

25、用光學脈沖激活血小板

血小板是提供止血，阻止血液流動，從而確保血液不會通過可能發(fā)生的血管的任何小損傷泄漏的細胞。止血反應始于血小板活化，當血小板感覺到血管外環(huán)境特有的刺激時觸發(fā)。血小板活化的研究很重要，因為這一過程在許多病理條件下起著重要的作用。在今年發(fā)表的工作中，該團隊研制了一種光學方法，可用來對血小板活化動力學進行更好的觀察。

圖25. 頂部：光學血小板活化實驗裝置的原理圖模型。左下角：對照實驗，不帶罩的ADP，表明兩次紫外線不影響血小板鈣信號。 右下角：帶罩的ADP實驗中獲得的幾個典型信號。

血小板活化的標志是細胞質中鈣離子濃度的激增。這種模式允許人們使用實時鈣探針跟蹤血小板活化的動態(tài)變化。激活本身可以通過添加二磷酸腺苷（ADP）在體外觸發(fā)，因為血小板對ADP有特殊的受體，這種物質在血管壁損傷時從受損細胞中解析出來。在工作中開創(chuàng)性地引入這種方法，導致了對血小板活化過程的定量理解。然而，在這些研究中，血小板被固定在表面上，這改變了細胞的性質，從而改變了激活的動力學。 最近，他們通過一種新的實驗方案來克服這種不足，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，因為沒有增加激動劑引起的位移。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、自由移動的細胞的血小板激活的早期階段的情況。

該方法中，帶罩的ADP在實驗前與血小板的懸浮液混合。它不與ADP受體結合，直到紫外線閃光被應用，允許擴散和結合到ADP受體及時分離。他們使用340nm、3W LED連接到Arduino板進行紫外線照明，以允許控制閃光燈的持續(xù)時間。 他們說，該實驗首次實現(xiàn)了血小板活化早期的精確單細胞測量。該方法為血小板研究開辟了新的途徑，包括研究細胞間信號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血小板功能在各種生理和病理條件下的研究，并有助于心血管疾病的診斷。 研究機構： l Novosibirsk State University， Novosibirsk， Russia

26、深度學習重聚焦三維圖像

高通量體積熒光顯微成像仍然是生物學、生命科學和工程領域的一個重要挑戰(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。雖然許多方法已經實現(xiàn)了無掃描體積熒光顯微成像，這些早期的技術通常需要添加定制的光學元件，這會導致光子損耗和像差增加。

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

作為一種替代方法，該團隊創(chuàng)建了一個基于深度學習的框架Deep-Z，以將二維熒光顯微圖像數字化地重聚焦到用戶定義的三維表面上。該框架允許從標準的寬場熒光顯微鏡圖像中進行體積推斷，而不需要任何機械掃描、附加硬件或平衡成像分辨率和速度。在Deep-Z中，對卷積神經網絡（CNN）進行訓練，以快照2D熒光圖像和用戶定義的數字傳播矩陣（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字重聚焦圖像。

利用Deep-Z，他們用標準的寬場熒光顯微鏡對線蟲的神經元進行了三維成像，并在計算上將其固有的場擴展了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它們在三維中的真實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)行實際的機械掃描。這大大減少了成像時間和對樣品的光損傷。 Deep-Z進一步實現(xiàn)了頻率高達100赫茲的活的線蟲神經元高通量縱向體積重建。利用標準寬場熒光顯微鏡在單個焦平面上捕獲的二維圖像序列，生成移動線蟲的時間同步虛擬圖像棧。在獲取單個圖像后，還可以將空間不均勻的DPMs輸入到CNN中，對樣本漂移、傾斜、場曲率和其他圖像像差進行數字校正。Deep-Z還能夠在不同的顯微鏡模式下進行虛擬重聚焦。例如，該框架可以被訓練成幾乎重聚焦快照寬場熒光圖像，并在不同的焦點隨機地推斷和輸出共焦等效圖像。這對于減少共聚焦掃描過程中可能發(fā)生的成像時間和光損傷特別有用。 研究機構： l University of California， Los Angeles， CA， USA

27、標準圖像超分辨率顯微技術

圖像邊緣檢測是定量細胞生物學、納米光子學等領域的一個關鍵問題。雖然已經開發(fā)了許多邊緣檢測算法，但它們都在精度上受到嚴重的限制。事實上，一項關于量化細胞遷移的研究表明，改變邊緣檢測方法或其參數之一會導致邊緣檢測算法精度可實現(xiàn)高達25%的提高。今年，該團隊提出了一種在單一標準圖像中進行超分辨率邊緣檢測的計算方法，為檢測特征遠小于顯微鏡點擴展函數（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）。 藍點（右）顯示了SUPPOSe算法對邊緣的重建，疊加在背景圖像上。 底部：具有10倍目標（左）和邊緣重建的熒光珠圖像，與40倍目標圖像重疊。 該工作是基于他們最近提出的一種去卷積算法，即點源疊加（SUPPOSe），它通過等強度的虛點源的疊加來逼近要重建的對象。在該算法中，點源的隨機初始位置向類似于背景圖像的解決方案演化，精度遠小于PSF寬度。雖然其他去卷積算法因必須施加正則化項來克服數學問題不合理的事實失去了分辨率，但SUPPOSe沒有，因為源強度按定義在其公式中確定是正的。SUPPOSe算法的一個限制是源必須有點稀疏，因此它不能應用于密集對象。在他們今年發(fā)表的工作中，通過用離散數量的點源擬合邊緣，并擬合圖像的梯度，發(fā)現(xiàn)可以使用改進的SUPPOSe方法找到對象的梯度。

他們認為這是對顯微鏡圖像去卷積的一個主要貢獻，因為它能夠恢復小于顯微鏡PSF的物體的形狀，如上圖所示。到目前為止，他們的工作已經用于熒光顯微鏡成像。然而，他們提出的唯一實質要求是空間相干性?。床煌狞c必須強度相加。）因此，該技術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，如STORM、STED和PALM。 研究機構： l Universidad de Buenos Aires， Argentina

28、皮米靈敏度的光波前傳感技術

精密光學波前計量學在科學、工業(yè)和基礎研究領域至關重要，從微光刻機不（Microlithography）到定量顯微鏡到引力波觀測站。對系外行星的直接成像也需要嚴格的波前傳感和控制在皮米尺度上的整個采集孔徑。雖然地面系統(tǒng)可以進行這種測量，但仍然缺乏適合空間使用和可以使用恒星光子進行傳感的類似系統(tǒng)。

圖28. 左：RMS面形圖誤差（以PM計），繪制為均方差的函數。淺藍色包絡顯示了測量的重復性。在100次平均（~4.3秒）之后，該系統(tǒng)的重復性達到1.6pm，大多數大氣殘差已經平均掉。在這一點之后，重復性降低了均方根（與光子噪聲一致）。 右：不同平均次數的光學測試的面形圖。

澤尼克（Zernike）相位對比度技術由于其固有的簡單性、魯棒性和靈敏度而非常適合于這種測量。該傳感器的關鍵元件是一個酒窩狀元件，直徑約為λ/D，光學厚度約為λ/4，蝕刻在玻璃基板上。這個元件被放置在中間焦平面，就在瞳孔觀察相機前面。該焦平面上的點擴展函數以相位對比度掩模為中心。結果是一種共模干涉儀，其中光的直流部分相對于其高階部分進行相移。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度誤差。該方法已被用于測量較大的振幅，較低的空間頻率誤差，如尖端/傾斜和焦點。

在今年發(fā)表的工作中，他們開發(fā)了一種更魯棒的相位重建表達式，它允許在可能的最高空間頻率（由最終瞳孔成像檢測器照明的像素數設定）上非常精確地測量小相位變化。他們用非常小的信號實驗，以證明其適用于天基高對比度飛行任務。 該試驗臺的測量重復性受到光子噪聲和大氣相位湍流的限制。他們通過連續(xù)快速測量大氣湍流，調節(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。用形狀差異來去除大氣的準靜態(tài)部分；平均這些差異來減少剩余大氣殘差的時間的變化，以及光子噪聲的影響。 實驗結果表明，相位對比度技術可以作為一種強大的波前傳感方法，并在一個簡單的結構中達到難以置信的精度水平。 研究機構： l Jet Propulsion Laboratory， California Institute of Technology， Pasadena， CA， USA

29、用于太陽能熱水衛(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了全球水危機。廢水回收可成為環(huán)境可行的解決辦法的一部分。在最近的一項工作中，該團隊開發(fā)了一種用于水衛(wèi)生系統(tǒng)的超吸、超吸光（SWSA）太陽能可跟蹤面板，來實現(xiàn)這一目標。 就像自然雨一樣，太陽能可以使廢水可飲用。然而，傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)有嚴重的熱損失。他們最近開發(fā)了一種界面蒸發(fā)方法，在同一表面發(fā)生太陽--熱發(fā)熱和水蒸發(fā)。這種蒸發(fā)器需要一個帶有吸收表面的太陽能吸收器。然而，大多數以前開發(fā)的太陽能吸收器表面受到其平面外和封閉的微毛管結構的幾何約束。這意味著，這些蒸發(fā)器必須水平漂浮在水面上，從而無法跟蹤太陽以優(yōu)化可用的太陽輻照度。因此，當太陽處于較大的天頂角時，這些蒸發(fā)器的效率顯著降低。

在他們開發(fā)的系統(tǒng)中，把一塊閃亮的鋁加工成漆黑色，并通過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。此外，水分子與表面的相互作用改變了其分子間鍵，導致蒸發(fā)焓顯著降低。 結合所有這些特點，他們展示了高效率的太陽-熱生成水蒸氣，蒸發(fā)速率超過了理想的裝置，以100%的效率工作。與大多數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-熱技術相結合，以增加有效蒸汽生成的總可用太陽通量。他們還演示了一個雙面SWSA面板，其效率比單面SWSA高150%。 由于其開放式毛細管結構，SWSA表面可以很容易地清洗和重復使用，維護要求低。 他們的實驗表明，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準。 研究機構： 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%的塑料生產被一次性使用，然后被處置，導致自然資源的污染和枯竭。雖然回收可以幫助解決這一問題，但準確識別塑料類型是使其可行的關鍵步驟。識別中的任何錯誤都會降低最終產品的質量。最近，該團隊采用激光誘導擊穿光譜（LIBS）和機器學習來創(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被報道，但塑料的顏色和厚度對它們的性能有很大的影響。LIBS可以幫助克服傳統(tǒng)光譜技術所面臨的許多困難，只需最小的樣品準備，并且能夠在事件場景中使用。然而，大多數基于LIBS的塑料分類研究都使用了原始樣品，并且許多實驗使用了一種Echelle譜儀耦合到一個強化電荷耦合器件（ES-ICCD），一個相對昂貴和笨重的系統(tǒng)，不利于實時現(xiàn)場應用。

利用低成本LIBS系統(tǒng)的光譜數據，結合機器學習算法，能夠快速識別十種不同類型的消費后塑料。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，而單鏡頭信號采集使識別更快速。使用隨機森林算法進行波長選擇大大減少了存儲機器學習訓練數據所需的內存，也減少了測試未知樣本所需的時間。 該系統(tǒng)能夠成功識別消費后的塑料，平均精度約為97%。他們還系統(tǒng)地研究了數據采集條件、光譜儀、信噪比和分析方法（主成分分析、人工神經網絡和隨機森林）對識別精度和測試時間的影響。所有樣品都是從回收廠收集的，模擬實時應用的條件。 用CT-CCD光譜儀進行的分析表明，與用于單次采集的ES-ICCD相比，總體識別時間減少了大約15倍。在不到10毫秒的時間內，一個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，這項工作有很大的潛力，以實現(xiàn)現(xiàn)場配置、低成本、緊湊的LIBS系統(tǒng)，快速實時分類塑料廢物--并有助于更有效、可行的塑料回收。 研究機構： l University of Hyderabad， Hyderabad， Telangana， India

原文標題：年終盤點 | 2020光學領域30項重大進展梳理

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責任編輯：haq