2020光学领域30项重大进展梳理

近日，《光学与光子学新闻》（Optics&PhotonicsNews ， OPN）回顾近一年来发表的最有趣的光学和光子学研究，本年度选择30个“有趣的故事”来反映光学和光子科学和工程领域的工作进展。《光电信息简报》对这30项进展进行了编译。
1、定制焦散技术（CustomizingCausitics）
焦散技术（Causitics）——由曲面或物体反射或折射光线的包络技术，即光线强度聚焦的界面，出现在彩虹和通过酒杯水面折射的光线等背景中。在其美丽图像之下，焦散表现出强度奇点，可以分为复杂的类别。尽管焦散物质具有吸引人的传播特性，包括弯曲、加速和超聚焦光，但它们很少被人为地产生或用来作为结构光构建的基本实体。

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图1.焦散结构嵌入到光束传播的横向不变概念图和实验测得的光束界面
一种特别有趣的横向结构光由所谓的传播不变或非衍射光束组成，它们在传播过程中具有固定的横向强度分布，并具有鲁棒和自修复的特征。这些光束彻底革新了用超快激光器加工纳米材料的工艺，包括高宽比的切割和沟道钻孔。它们的鲁棒传播可以减少光束畸变，最大限度地减少制造缺陷。在传播不变光束中，贝塞尔（Bessel）和艾利（Airy）光束是焦散的基本组成。焦散特征是横向平面中高强度集中的原因，使这些光束非常适合材料加工，它们的鲁棒和自修复性大大改善了光学薄片显微镜和三维陷阱等应用。
然而，未来有可能需要任意结构和用高强度梯度来控制传播不变光束的形状。不幸的是，大多数焦散光束并不是自然无衍射的。为了满足这一需要，科研人员最近开发了一种通用的方法来设计、定制和制造具有任意横向形状的结构焦散光。他们使用了一个智能光束设计，有利地结合了尖锐焦散边界的高强度特征和传播不变性。已经展示了各种传播不变的形状，如线形、抛物线形或类星形，但也有复杂的形状，如字母。这些强度结构在扰动下是鲁棒的，这可能使它们对安全的高维量子通信具有吸引力。该方法由一束自然光束产生出一组完整的定制的、结构传播不变的焦散光，强度集中在任何期望的边缘曲线周围。它满足了在波动物理所有领域，包括连续波或脉冲光、电子束、声波或弹性波等领域定制高强度分布的需要，并为具有复杂形状和可控能量沉积的先进高分辨率纳米加工工艺展示出很有前途的前景。
2、光分支流（Branchflow）
分支流（Branchflow）是一种普遍的波浪现象，在这种现象中，波浪形成强度增强的通道，随着它们的传播而不断分裂，从而形成一种类似于树枝的美丽图案。它发生在波以平滑、无序的势传播时，相关长度大于波长。

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图2.左上角：从肥皂膜反射的白光的真彩色干扰图。左下角：折射率分布成像的膜厚度重建。中心：观察到的平面波的分支光流。右：当窄光束入射到膜中时，观察到的分支光流，形成窄的、高强度的分支，在无序介质中保持长距离的聚焦。
在高散射介质中，支流基本上构成了通道传输和扩散传输之间的中间状态。首先观察到电子的情况，分支流动可以发生在几乎任何类型的波中。例如，它已在微波腔中观察到，并被提出作为海啸波的聚焦机制。最近，科研人员提出了分支光流的实验观察。该方案依赖于激光束在薄液体膜--肥皂膜内传播。膜作为二维（平板）波导，在实验的参数范围内，支持单一的波导模。膜的局部厚度变化导致有效折射率的显著变化。为了观察光分支流，科研人员操纵肥皂膜来构建光滑厚度变化的无序分布，形成无序的相关能量。从这些实验中，提取到了光分支流的统计性质。通过将平面波入射到无序膜中，证明了到第一分支的平均距离与测得的能量相关长度和强度计算的预测位置相匹配，遵守普遍规律。此外，通过使用窄束激励，科研人员观察到由于能量的相关性，分支强度的统计显示出重尾概率分布。最后，科研人员发现这些分支是高度无衍射的，在均匀介质中保持聚焦距离远大于相同宽度光束的衍射长度。
将分支流引入光学，为许多新的思想打开了大门，例如非线性介质中的分支流、弯曲空间中的分支流或有得失的系统中的分支流。肥皂膜的不稳定性质和高度强烈的分支带来了一种新的状态，即分支光流可能触发极端非线性现象或通过辐射压力和梯度力产生相互作用和影响无序状态。研究机构：lTechnion–IsraelInstituteofTechnology ， Haifa ， IsraellCREOL ， TheCollegeofOpticsandPhotonics ， UniversityofCentralFlorida ， USA
3、气体中的巨大布里渊放大
空心光子晶体光纤被认为是未来光通信的支柱。这些纤维具有较低的传输损耗，这与较低的延迟、更宽的光谱传输、较高的功率损伤阈值、较低的非线性和较低的色散有关。2020年，英国南安普敦大学将空心光纤的损耗降低到0.28db/km ，这个值接近标准单模光纤的损耗极限。

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图3.在不同压力下填充CO2气体的空心芯纤维中获得的布里渊增益与固体芯二氧化硅纤维的增益比较
空心芯纤维的低损耗特性都是由于光子与致密纤维材料之间的相互作用要低得多。虽然这大大减少了损失，但它也使得通过光-物质相互作用影响光非常困难，因此，大大减少了直接光放大的可能性。今年，该团队为这个难题提供了一个有效的解决方案。工作中，他们直接在填充空心芯光纤的气体介质（如空气）中使用受激布里渊散射来实现大规模的光放大，其系数为20万倍。
他们还证明，空心芯光纤的增益可以比标准单模光纤强得多，并且确实可以优于波导材料中的任何非线性增益。在实验中，他们发现这些纤维中的峰值增益与气体压力的平方成正比，结果是，在气体压力只有几十巴的情况下，实际上超过了在固体材料中观察到的布里渊增益。基于这一原理，该团队还表明，受激布里渊散射的所有先进应用（如光纤激光、分布式传感和光脉冲时间调制）都可以很容易地在空心光纤中实现，且效率更高。他们演示了一种气体激光器，首次基于光声相互作用，它可以在任何波长下工作，从紫外线到中红外。采用空心芯光纤的分布式传感显示出前所未有的温度精度和空间分辨率。它还有一关键的优势，以前空心光纤因存在完全自由的应变——温度交叉敏感性而在布里渊光纤传感中不可用，因为气体对施加在光纤上的应变不敏感。研究机构：lEcolePolytechniqueFédéraLEDeLausanne ， Switzerland
4、高通量MHz真空紫外光源
真空紫外（VUV）光谱区域，从大约6到15eV ，是唯一能够探测物理和化学过程的，因为几乎所有分子和材料的电离能都在这个能量范围内。因此，许多尖端光谱仪使用VUV光。包括角度分辨光电发射光谱（ARPES），它研究材料和表面的电子结构，以及光电离质谱法（PIMS），识别复杂混合物中的分子。

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图4.独特的高通量超快VUV源高级联谐波发生
不幸的是，这种实验的范围是有限的，因为很少有高通量的VUV光束存在。同步加速器设施以高脉冲重复频率提供明亮的VUV光，在广泛的光子能量范围内具有高能量分辨率。然而，这些设施的使用有限，科研人员必须携带样品前往。氘灯可以进入VUV区域，大约10eV ，但对于许多应用来说，当与单色器一起使用时，太暗了。最后， Nd：YAG激光器的九次谐波可以在一个简单、鲁棒的装置中提供明亮、相干和单色光束，但具有较低的重复频率。在ARPES和PIMS中应用的理想VUV光源将具有高通量、高重复频率（MHz）、输出UV到至少15eV能量范围的光子，以及可变能量和时间分辨率。
今年，该团队报告了一种高级联谐波生成（HCHG）技术，以解决这一挑战。该系统通过红外光纤激光器的上转换产生UV和VUV谱线，使得每个谐波都有助于形成更高的谐波。通过将两种颜色（10W平均功率， Yb：光纤激光器的基波和二次谐波）聚焦到氙气填充、负曲率空心芯光纤中，并通过调整氙气压力以提供最佳的相位匹配，产生了3次到15次的偶数和奇数谐波。该工艺所需的峰值强度约为2×1012W/cm2 ，约比常规高谐波生成所需的峰值强度低50倍。
正如扰动级联相互作用所预期的那样，每个谐波处的通量随谐波次数的提高而减小。然而，在每秒1012到1016个光子时，该光源在光子能量高达10.8eV的情况下可与带宽类似的同步辐射光源竞争。这种VUV源的高重复频率可以最大限度地减少空间电荷效应、伪重合（falsecoincidences）和探测器死区时间。最后，小的VUV源尺寸能在一个紧凑的单色器中实现高能量分辨率。这种分辨率对于解决紧密间隔的光谱带或提供明确的目标识别至关重要。研究机构：lUniversityofColoradoatBoulder ， CO ， USAlKMLabsInc. ， Boulder ， CO ， USAlUniversityofColoradoatBoulderandKMLabsInc. ， Boulder ， CO ， USAlSandiaNationalLaboratories ， USA
５、自由电子量子光学

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图5.相对论相干电子和光的空穴增强耦合。左：在超快电子显微镜下，光子晶体板中的电子-光相互作用、电子映射的光学能带结构和Bloch模式的亚波长成像。右：局域电子探针与微球中的whispering-gallery模相互作用，模的空间和时间成像，以及相干拓宽每个电子能量带宽的高阶光子交换。
今年，科研人员证明了光子腔可以使电子和光的耦合强度增加一个数量级以上。研究了一种光子晶体腔（PhC）和一种光学whispering-gallery模（WGM）微谐振器，这是两种广泛使用的光子腔。在PhC中，增强表现为相互作用的记录效率，只需要微微焦耳脉冲能量。他们光学抽运了PhC ，并使用电子探针在空间和时间上对模式成像，同时还恢复了完整的光学能带结构。在WGM谐振器中，他们有效地将激光耦合到微球腔模式，并实现了与每个电子相干交换的光子量子的极值。应用几纳米宽的电子探针，分析了局部WGM谱密度，并绘制了其场分布。还用电子来探测两个光子腔的环形时间。
极有效的电子-光耦合导致电子同时吸收和发射数百个光子。产生一个相干电子能量梳，延伸到数百个电子伏特。这些效应是通过大幅度延长相互作用的长度和持续时间，结合电子速度和光相速度沿电子轨迹在数百微米上的精确匹配来实现的。未来的高Q腔，结合相匹配的相互作用，将使强的电子-光耦合和自由电子的量子光学。微谐振器和其他光子腔代表了许多关键构件中的第一个，这些构件可以将电子束与先进的光子技术集成在一起。这将加强光子学和分析电子显微镜的结合。研究机构：lTechnion–IsraelInstituteofTechnology ， Haifa ， IsraellUniversityofG?ttingenandMaxPlanckInstituteforBiophysicalChemistry ， G?ttingen ， GermanylécolePolytechniqueFédéraledeLausanne ， Switzerland
６、超快控制微激光器
传统上，超快全光开关依赖于光学材料中的非线性响应。这些微小的影响通常需要一个额外的谐振器来增强光-物质的相互作用并降低能量损耗。然而，共振寿命与Q?ω成正比，影响环形时间，限制了响应时间。这对全光开关的设计提出了严峻的挑战，并在超低能耗和超快响应之间进行了权衡。一个潜在的解决方案是具有低质量（Q）因素和超小有效模式体积的等离子体纳米腔。不幸的是，金属的本征吸收意味着等离子体开关具有巨大的耦合和传播损失，超过19dB 。最近，该团队演示了一种替代的全光开关方法，可以打破这一长期的挑战：一种基于连续体（BICs）拓扑保护光束缚态物理的方法。BICs提供的非常大的Q因子可以促进光子结构对入射电磁波的巨大响应，从而增强近场增强。此外，对称保护的BIC对局部对称扰动非常敏感。这意味着，通过考虑外部激发和光学增益之间的对应关系，人们可以使用泵浦剖面来控制拓扑保护的BICs的远场激光剖面。

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图6.顶部：两束时空分离的激光束泵浦样品。底部：从甜甜圈（donut）光束剖面到两个裂片（lobes）（左）、从两个裂片到一个甜甜圈（中心）的过渡，以及从甜甜圈到两个裂片和回到甜甜圈（右）的完整过程。
对于方形周期晶格，拓扑保护的BIC激光器出现在Г点。当系统用圆形光束泵浦时，增益面积保持四倍对称性，并产生具有甜甜圈（donut）光束轮廓的BIC激光器。一旦增益区域退化到双重对称性，输出就会迅速切换到两个裂片（lobes）。相应的时间分辨实验表明，过渡过程发生在1到1.5ps ，数量级快于相应的微激光的寿命。这种超快控制归因于先前忽略的BICs的远场特性。BIC微激光器的远场光束分布由辐射信道的破坏性干涉决定。因此，远场剖面中的过渡过程只需要重新分配激光发射，而不是要求激光模式的开关。该工作表明，开关时间可以独立于共振寿命。通过进一步利用BICs的超高Q因子，可以大大降低激光阈值。因此，超低能耗与超快响应之间的权衡最终可能被打破。他们认为这种新的交换机制可能对光学和量子计算产生重大影响。研究机构：lHarbinInstituteofTechnology ， Shenzhen ， ChinalAustralianNationalUniversity ， Canberra ， Australia
7、超高速时频信号处理
动态实时频谱分析（RT-SA）和高速宽带波形处理是许多重要应用的基础，包括宽带通信和雷达技术、超快表征、传感和光谱以及射电天文学研究。这些应用需要实时计算传入时间信号的傅里叶变换（FT）。此外，这种计算必须以连续和无间隙的方式进行（即在采集或处理中没有停顿时间），在GHz范围以上的瞬时频率带宽上进行，时间分辨率为几纳秒或更短。这些性能指标超出了现有RT-SA解决方案的范围，包括最先进的数字信号处理（DSP）方法。在其他潜在的模拟处理方案中，色散诱导的频率到时间成像使RT-SA具有短的、孤立的脉冲样信号，但它不能扩展到实践中最常发现的连续波形。最近，他们克服了这一限制，提出并演示了一种通用的模拟信号处理体系结构，该体系结构实现了对任意（甚至无限长）输入波形的无间隙短时傅里叶变换或光谱图的直接和连续时间成像——全动态傅里叶分析或联合时频（T-F）信号表示的主要方法。

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图7.时间成像谱图概念下，被测信号（SUT）的时间采样具有采样周期TR ，产生一组SUT的频移副本。
随后，通过频率相关（色散）延迟单元，这些频移光谱拷贝（间隔ωr=2π/TR）相对于彼此延迟了一个量TR 。同时延迟和频移副本之间的干涉产生了1D时间模式，遵循SUT的2D短时傅里叶变换或光谱图，以连续的、无间隙的方式进行。所提出的方法，称为时间成像光谱图（TM-SP），是惊人的简单。它包含短脉冲时间采样的适当组合，其次是色散延迟。
TM-SP利用了色散诱导的时间Talbot或自成像效应的深厚数学。利用这一概念，他们设计并演示了一种基于光子学的方案，在接近5GHz的瞬时频率带宽上实现连续、无间隙的宽带微波信号RT-SA ，时间分辨率可降至几纳秒，计算速度为每秒近50亿次傅里叶变换（FTs）。这种性能超出了现有解决方案的能力，满足了广泛领域的关键需求。此外，所提出的概念提供了直接访问物理时域中被分析波形的全联合T-F分布，从而为宽带波形的实时分析和处理提供了全新的可能性。研究机构：lInstitutNationaldelaRechercheScientifique–énergie ， MatériauxetTélécommunications（INRS–EMT）， Montréal ， Québec ， CanadalUniversitéLaval ， Québec ， G1V0A6 ， CanadalINRS–EMT ， CanadalUniversitéGrenobleAlpes ， Grenoble ， France
８、硅光子学中的单向器件
在自由空间光学中，传统的单向性和隔离是通过偏置磁光材料来实现的，但这种技术缺乏CMOS兼容性。在最近的工作中，该团队将最先进的制造和逆向设计相结合，以实现硅集成器件中无偏置、低损耗单向传输。该方法基于一种单向性的替代途径，涉及光学非线性和几何不对称。在非对称双口谐振器中，腔内强度（对于给定的输入功率）取决于激励方向。强χ非线性，如硅中的克尔效应，引起谐振器频率的移动，其大小取决于存储强度，因此取决于激励端口。由于谐振器频率控制端口到端口的传输，这种机制可以实现在一定功率范围内的大的单向性，特别是当设计成高度不对称的Fano波面时。虽然仅限于特定形式的激发，但这种方法是有吸引力的，因为它不需要外部偏置场，并且可以在标准集成光波导中实现。

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图8.左：单环设备（顶部）和级联设备（底部）的扫描电子显微（SEM）图像。右上角：几个单环（蓝点）和级联（红点）设备的传输与单向功率范围性能。单环设备必须放置在阴影区域。
该装置的几何结构由一个单环谐振器组成，通过逆向设计的耦合器侧耦合到波导。背景反射率和几何不对称性可由耦合器的几何形状及其沿波导的位置任意变化。他们演示了在4.5dBm（毫瓦分贝，以600欧姆1毫瓦为零电平的分贝）的功率范围内大于20dB的传输对比度，以及记录低插入损耗1.1dB 。重要的是，单向性发生的正向传输和功率范围不是独立的参数，不能同时最大化。科研人员通过表征不同的器件提供了该结论的第一次实验验证。背景反射率的精确控制，通过逆向设计的反射器获得，允许他们根据需要优化这两个参量。为了更好地平衡这种单向传输/功率范围，继先前的工作之后，他们实验证明，通过在第一个硅环的特定距离上添加第二个硅环可以克服这一束缚。这种级联设备的特点是单向的功率范围为6.3dB和前向传输高达98% ，很大程度上超越了单谐振器。这些无源、无偏置的单向器件对于保护脉冲源特别有用，并且非常适合渡越时间（time-of-flight）激光雷达系统，正如他们在原理证明中所示。研究机构：lStanfordUniversity ， Stanford ， CA ， USAlCUNYAdvancedScienceResearchCenter ， NewYork ， NY ， USA
9、模块化片上混合等离子体
等离子体器件难以集成的原因在于它们对金属的使用，这些金属是损耗性的。许多光在几个波长的传播后被吸收，这限制了多元素的设计。混合等离子体精致地将金属和介质结合在一起，通过在纳米尺度上实现光子小型化，同时最小化损耗，减轻了这些限制。然而，到目前为止，大多数设计仍然只涉及一次一个光子函数。一种模块化的等离子体处理方法，一种能够将不同的金属部件组装到现有芯片上以增强其功能的方法，在很大程度上是缺乏的。

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图9.顶部：工业标准波导原理图，和两个混合等离子体电路模块。第一种形成有效的光子到等离子体旋转（绿色）；第二种形成纳米聚焦（红色）。纳米聚焦顶点在金纳米点（紫色）产生二次谐波）。底部：制作装置的扫描电子显微（SEM）顶部视图
科研人员今年的工作表明，由混合等离子体二氧化硅/金纳米层结构形成的两个不同的等离子体元件可以在标准的近红外硅光子波导上进行后处理。第一等离子体元件只在几个波长内有效地旋转入射偏振；第二分量将入射光聚焦到深亚波长模式体积。在这个过程中，已经显示出强烈增强的二次谐波产生在金纳米点（nanotip），它的顶点约为10nm 。这个实验使他们能够估计，相对于等效的金条，纳米点的光强增强了100倍以上。这三种功能：等离子体旋转、纳米聚焦和非线性增强都发生在小于10μm光传播的长度上，而传统的介电波导是无法实现的。该技术在基于芯片的纳米显微镜、非线性和原子尺度传感、纳米连接以及纳米太赫兹源和探测器等领域有着广泛的应用。该模块化方法从根本上使混合等离子体技术更容易获得。研究机构：lTheUniversityofSydney ， Sydney ， Australia
10、石墨烯等离子体的极端中红外光捕获
中红外和太赫兹光谱范围在分子和生物传感、食品检验和危险材料识别等领域至关重要，因为许多分子共振存在于光谱的这一部分。例如检测分子特征需要一个较强的光场，这可以通过将光场聚焦到小尺寸来实现。然而，这种限制仍然受到众所周知的衍射极限的限制。最近，该团队利用石墨烯等离子体（GPs）的特性，扩展了检测这种特征的工具包。在石墨烯片内与电荷载流子振荡耦合的电磁场振荡，可以实现中红外和太赫兹光的特殊限制。此外，如果金属表面靠近石墨烯，它会屏蔽现有的GPs ，并产生更大的压缩，达到约自由空间波长的1/300 。然而，激发GPs是具有挑战性的，因此将它们的观测限制在微米尺度的结构上。这反过来又使他们的禁闭能力降低了几个数量级。

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图10.用于中红外光约束的纳米空腔。左：石墨烯等离子体磁共振（GPMR）系统支持限制在金属纳米立方体和石墨烯片之间的红外石墨烯等离子体。右：归一化模式体积， vmode/vfree-space ，对于GPMR系统，它达到超过10亿，并且比等效的VIS/NIR系统小4个数量级。
在该工作中，科研人员开发了一种新的方法来为GPs创建纳米腔。在石墨烯片的顶部沉积了尺寸约为75nm的随机放置的银立方体。石墨烯/纳米立方体系统以石墨烯等离子体磁共振（GPMR）的形式支持受限的GP模式。他们发现，当银纳米颗粒的浓度变化但大小保持不变时，只有响应的振幅发生变化，而不同尺寸的纳米颗粒产生不同的光谱响应。因此，单个纳米颗粒的性质决定了光学响应。每个纳米立方体作为GPs的单个空腔，将它们压缩到石墨烯和纳米立方体之间的纳米尺度体积中。使用这种方法， GPs被压缩到比中红外光的自由空间模式体积小10亿倍以上的体积。有趣的是，尽管中红外光的微米尺度波长与纳米尺度立方体之间存在很大的不匹配，他们发现GPs的激发非常有效。这是因为腔作为GP纳米天线，与红外辐射有效地相互作用，并且GPs被激发为纳米天线的磁共振模式。研究机构：lTelAvivUniversity ， TelAviv ， IsraellICFO–InstitutdeCiènciesFotòniques ， Barcelona ， SpainlICFOandICREA–InstitucióCatalanadeRecercaiEstudisAvan?ats ， Barcelona ， Spain
11、等离子体计算复合眼相机
摄影和显微镜中使用的传统相机采用人眼结构；镜头用于将感兴趣的物体的图像投射到光电探测器阵列上。这种设置可以提供良好的空间分辨率，但由于像差效应，它需要平衡小尺寸和大视场（FOV）。在自然界中，通过进化来解决这个问题的解决方案是复合眼，普遍存在于昆虫和甲壳类动物等最小的动物物种中。典型的复眼包括一个密集的阵列，许多成像元件指向不同的方向。不幸的是，它们的弯曲几何与标准的平面半导体技术不兼容，严重复杂化了它们的光电实现。
因此，制造人工复合眼需要开发复杂的非传统制造工艺，限制了其可制造性和可实现的分辨率。涉及透镜阵列的平面几何已经被研究，但受微透镜f数限制，只能实现小视场（小于70°）。最近，科研人员报道了一种新的复合眼相机结构——利用元表面（metasurface）纳米光子学的巨大设计灵活性和计算成像的先进数据处理能力，以平面无透镜格式提供大于150°的超大视场（FOV）。在这种结构中，标准图像传感器阵列的每个像素都涂上专门设计的金属纳米结构。该结构只发射沿一个小的、几何可调谐的角度分布的光。然后，计算成像技术能够从所有像素的组合信号中进行高质量的图像重建。他们设计、制造和表征了一组近红外器件，提供了在不同角度的峰值方向光探测，然后根据它们的角度响应图展示了它们的成像能力。

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图11.左上：常见节肢动物的复眼。顶部中间：开发的设备示意图。右上角：设计仿真结果显示了不同器件响应率的极角依赖性。左下角：测量具有代表性的器件的光电流与极性和方位角照明角的关系。底部中间：成像几何示意图。右下角：重建图像的例子
由于它的无透镜性质，这种方法可以比现有方案实现进一步的小型化和更高的分辨率，以及一个潜在的简单的制造工艺，兼容现有的图像传感器技术。他们相信，这些结果对于需要极端尺寸小型化和超大FOV的应用是非常重要的，例如尖端芯片（chip-on-the-tip）内窥镜、可植入或可吞咽的相机和无人机自主导航。此外，元表面（metasurface）技术和计算成像的协同结合有望实现先进的成像功能。研究机构：lBostonUniversity ， Boston ， MA ， USA
12、用光进行纳米绘画
颜色是光与原子和分子离散能量状态的共振相互作用的结果，是人类视觉感知的主要属性。它在成像和显示技术以及艺术方面都起着至关重要的作用。在今年的工作中，该团队展示了用一个特殊设计的元表面来调整透射光中的颜色色调和亮度的能力——创造了一幅有足够细节水平的“纳米画” ，再现了一件著名的艺术品。使用纳米结构表面的颜色工程领域的大多数工作都集中在实现高色域和饱和度，同时在传输或反射时保持所需颜色的亮度。虽然这种设备表现出较高的传输或反射效率，但产生的颜色的亮度是固定的。
然而，由于亮度（以及色域和饱和度）是颜色的基本特性之一，因此需要对亮度和色调进行有效和平滑的调整传输透视、厚的甚至三维的影像。在该工作中，科研人员展示了通过有效控制整个可见光谱范围内结构颜色的亮度实现纳米绘画的能力——一幅毫米尺度的图像显示微妙的颜色和阴影细节，就像用纳米刷子创建的那样，使用低损耗的介电元面技术实现了复制1665年荷兰艺术家JohannesVermeer的杰作（女孩与珍珠耳环）。表面包括一个空间变化尺寸的二氧化钛纳米颗粒阵列，它决定了输出颜色的色调以及旋转方向，由此决定了亮度。

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图12.左：产生全彩色纳米画的原理图。插图：制备的TiO2纳米颗粒。标尺：500nm右：白光通过偏振片、元表面和分析器产生的实验彩色图像。
标尺：50μm纳米颗粒被设计成单独的窄带半波板，能够旋转线性偏振入射光的偏振，用于目标滤色——红色、绿色和蓝色。在白光照明和正交偏光镜--分析器取向下，元表面生成的图像逼真显示了这幅画的高分辨率复制品，展示了它的标志性主题，穿着蓝色头巾、金色夹克、明亮的白领和发光的珍珠耳环。场景沐浴在定向光中，戏剧性的外围阴影无缝地融合到黑色背景中。非常平滑的色调和亮度转换再现了一种类似于油画的外观——说明纳米技术能够满足Vermeer对颜色、光和阴影的熟练渲染。研究机构：lNanjingUniversity ， Nanjing ， ChinalNationalInstituteofStandardsandTechnology ， Gaithersburg ， MD ， USAlSmithsonianInstitution ， Washington ， DC ， USA
13、多功能衍射平板光学
透镜是任何成像系统中最基本和最基本的元素。然而，传统的屈光透镜由于其曲率而体积庞大。平板衍射透镜可以克服这一困难，但传统的衍射光学镜片的有天花板，主要是由于存在色差。最近，科研人员已经证明，通过将“成像”现象简单地看作是从物体到图像平面的信息传递，相位在焦平面上的空间分布可以是一个任意的函数。（这里指的是标量电磁场的相位，但是这个参数对矢量场同样有效。）在绝大多数成像应用中，只有图像传感器记录的强度才是产生图像的主要兴趣。应用这一概念，他们已经证明，允许平面透镜的图像平面中的相位是一个自由参数，通过仔细设计不同的衍射表面，可以使平面、多级衍射透镜（MDLs）的成像特性具有前所未有的通用性。他们在这种平面透镜中显示的特性包括超消色差（super-achromaticity），极焦深（EDOF）和高数值孔径。在不同情况下，设计原则和方法保持不变，唯一的变化是为所需的MDL属性制定设计优化的优值图。这些平透镜可以很容易地制造使用一步灰度光刻。

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图13.左上角：多级衍射透镜（MDLs）可以实现极深的聚焦、大的工作带宽和高的数值孔径。右上角：典型MDL的扫描电子显微照片。中间行：高NAMDL（右）的极端聚焦深度（左）和MTF的实验演示。底部行：在可见光（Strehl比=0.8）、近红外（NIR）和长波红外（LWIR）波段拍摄MDL图像。最右边的面板显示具有单个MDL和多个传感器的可见光-近红外（NIR）-长波红外（LWIR）复合图像。
他们已经演示了一个MDL ，实现了超过四个数量级的极端聚焦深度。使用这个平板透镜，在实验中他们能够对分离距离大约为6米的物体保持巨焦。当λ=0.85μm的准直光线照射时， MDL产生了一束聚焦在5毫米到1200毫米之间的光束。他们还演示了在LWIR（8-12μm）、可见到近红外（0.45-1μm）、可见到LWIR（0.45-15μm）、甚至远红外（1.5-150μm）中工作的超消色差MDL 。最后，他们成功地演示了厚度小于1.35μm ，直径为4.13毫米， NA=0.9 ，工作波长为850nm（带宽约为35nm）的MDL 。研究机构：lUniversityofUtah ， SaltLakeCity ， UT ， USAlOblateOptics ， Inc. ， SanDiego ， CA ， USA
14、热光工程波前整形
将可调变焦镜头集成到毫米厚的手机、微型显微镜或医用内窥镜的远端需要复杂的光学系统，可以在毫秒内电整形。虽然液晶空间光调制器是高分辨率波前整形的首选工具，但它们的偏振灵敏度、色差、成本和尺寸限制了它们在光学实验室之外的应用。科研人员最近证明准无色差、偏振不敏感的电气元件，可以应用预定的、连续的局部波前整形实现，在微尺度上具有前所未有的自由度－－没有任何机械运动。他们称这种方法为智能透镜（Smartlens），电流通过一个良好优化的微米级电阻来调节。局部加热改变了电阻器周围透明聚合物板的折射率分布。就像海市蜃楼把光线通过热空气来制造遥远湖泊的错觉一样，这个微尺度的热区可以精确地控制光束偏转。小的，微米级的智能透镜（Smartlenses）迅速升温降温；在毫秒内，一片简单的聚合物可以变成透镜和背面。

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图14.顶部：可调谐微光学器件（左）中的电控电阻加热器引起温度（中心）的变化，及在温敏材料中折射率变化（右）。通过遗传算法优化，可以确定所需波前形状的最佳电阻几何形状。底部：用于（从左到右）离焦（发散透镜）、平面波形（活塞piston）、垂直散光（圆柱透镜）和锥形表面（逆向轴棱镜）的实验波阵面。
由于智能透镜（Smartlenses）可以制作成阵列，他们证明，由于大多数热光系数的色差相对较小，通过激活位于它们前面的智能透镜（Smartlenses），可以同时将位于非常不同距离的几个彩色物体聚焦到相机传感器上。此外，通过对热扩散和光传播的建模，并利用遗传算法进行优化，他们证明了这种方法可以超越简单的透镜。事实上，一个适当的工程电阻器可以用高水平的控制来成形光束，并实现广泛的光学功能，包括散光、轴突或自由形状－－例如，动态校正光学仪器的像差。值得注意的是，智能透镜（Smartlens）技术非常紧凑、成本效益高和可扩展。他们认为，它有潜力应用于高端技术系统以及简单的面向最终用户的成像设备，并可能对当前的集成光学系统产生重大影响。研究机构：lUniversitéParisDescartes ， Paris ， FrancelSorbonneUniversité ， InstitutdelaVision ， Paris ， FrancelICFO–InstitutdeCiènciesFotòniquesandICREA–InstitucióCatalanadeRecercaiEstudisAvan?ats ， Barcelona ， SpainlETHZurich ， Switzerland
15、涡旋辅助瞬态微透镜
将光聚焦到超衍射极限是光学科学中最大的挑战之一，并将使许多光学技术（从成像、光学捕获到光传递、光子医学）发生革命性的变化。为实现亚衍射聚焦，开发了具有工程散射特性或附加微球的超材料。最近，科研人员研制了一种方法来实现超衍射极限的物理聚焦，不需要额外的光学元件或外源标记，只使用光和物质相互作用。为了实现探针光束（附图中的绿色光束）的紧密聚焦，可忽略被样品吸收，他们的技术使用不同波长被样品强烈吸收的辅助光束（红色）。在水基溶液中，折射率的温度依赖性为负（dn/dt《0）。这样，辅助光束由涡旋相板形成甜甜圈的形状产生瞬态吸收，即中心有衍射受限空隙的环。这种热廓线在聚焦透镜的腰部产生折射率梯度，在环的中心有最高的折射率，并且指数单调地向边沿下降。这一过程有效地形成了直径等于光学衍射极限的瞬态收敛微透镜。因此，当探针光束通过受控成形的微透镜（准直或聚焦）时，它将收敛到比传统光学系统能达到的更小的焦点，正如他们实验证实的那样。

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图15.左：涡旋辅助聚焦原理图。中心：衍射受限光斑与涡旋辅助聚焦得到的衍射受限光斑的实验比较。右：扫描显微镜图像USAF分辨率图：没有涡旋板（左）和有涡旋板（右）。可以定量地从标记区域的线图看到图像分辨率增强。
由于成形热廓线需要短脉冲持续时间，该成像方式的曝光通量低于组织的损伤阈值，使其适合于生物应用。较小的焦点也可以作为扫描探针，在没有任何标记过程或材料插入的情况下以优异的分辨率成像，在光学结构上实现了很高的灵活性。研究机构：lUniversityofMaryland ， CollegePark ， MD ， USA
16、构造光子气旋
光子携带角动量，包括与旋转极化矢量相关的自旋角动量（SAM）和与螺旋相位相连的轨道角动量（OAM）。光子角动量子态的附加自由度激发了大量的理论和实验研究，在经典光学和量子光学中都有广泛的应用。通常研究平行于波印廷矢量的角矩的纵向SAM和OAM 。然而，横向SAM最近在聚焦光束和隐失波的研究中也得到了关注。

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图16.左：带有横向OAM的时空光学涡旋（STOV）和带有纵向OAM（顶部）的空间涡旋的示意图，以及显示产生的STOV（底部）相位结构的干涉条纹。中心左：重建的STOV相位（顶部），和重建的STOV三维强度分布（底部）。中心右：带有时间变化的OAM波包的相位和强度分布。右：STOV的亚波长聚焦：STOV的三维强度聚焦（顶部）和相应的相位投影（底部）
虽然最近的理论研究揭示了横向光学OAM的存在，但缺乏合适的实验工具来控制这些OAM状态下的光。今年，该团队克服这一限制，演示了一种方法，在空间频域形成螺旋相位，然后在二维时空傅里叶变换后保留在时空域。产生的时空光学涡旋（STOV）类似于快速前进的气旋，横向OAM垂直于传播方向。
该团队所开发的简单和非常灵活的生成方法为光学和光子设计的光子角动量研究开辟了一个全新的方向。通过重新设计要加载在时空域上的相位模式，他们演示了一个嵌入时变横向OAM的波包，该波包具有子皮秒（PS）时间分离。超快时间OAM变化可以应用到高速光通信和纳米结构的超快操纵。这种光-物质局域相互作用的能力对于这些应用至关重要。然而，当时空波包通过高数字孔径物镜聚焦时，时空散光效应就会出现，从而破坏时空涡旋。用圆柱透镜模转换器来模拟空间OAM ，通过对相位和振幅调制的波包进行预处理，实现了具有横向OAM的亚波长STOV 。他们预计，这些研究将推动对这一新兴领域的更多研究，并在显微镜、等离子体物理、激光加工和量子信息处理等众多应用中开辟新的途径。研究机构：lUniversityofShanghaiforScienceandTechnology ， Shanghai ， ChinalUniversityofDayton ， OH ， USA
17、超常光束调制与普通的格林（Grin）镜头
应力引起的双折射通常被认为是一种讨厌的现象，它发生在包括梯度指数（GRIN）透镜的制造等的许多光学过程中。最近，该团队表明，这一不必要的缺陷实际上可以被处理和开发出新的应用，超越传统GRIN透镜的使用，包括矢量涡旋光束产生，焦点修改和快照Mueller矩阵极化测量。

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图17.通过GRIN透镜级联产生的矢量光束选样
GRIN透镜通过径向对称折射率剖面聚焦光。与具有均匀折射率的传统透镜相比， GRIN透镜在具有平坦表面、易耦合、质量低、尺寸小等方面具有自己独特的优点。因此，它们被广泛应用于紧凑的成像系统或与光纤或波导耦合。然而，构造这些透镜的指数剖面的离子交换制造过程也会导致双折射的径向对称变化。这种特性会导致额外的偏振像差进入基于GRIN透镜的系统。制造过程被优化，以保持这些像差（在许多应用中的一个缺点）到最低限度。
他们证明，这些相同的特性可以作为光束产生和分析的基础，或者用来扩展当前基于GRIN透镜的成像系统的能力。通过将一个或多个GRIN透镜与其他光学元件级联，它们的本征双折射可以用来产生矢量涡旋光束--具有复杂相位和偏振特性的矢量光束。在这项工作中，他们采取了一个共同的光学设备，并表明它可以以新的方式使用，以大大增强结构光工具包和产生各种光束。此外，通过与其他光学器件的适当组合，调整GRIN透镜内部的偏振像差，他们表明，有可能对这种透镜的焦点进行调制，以利于现有的基于GRIN透镜的成像系统。最后，但并非最不重要的是，他们提出了一种基于双级联GRIN透镜的快照Mueller矩阵极化法的新方式--也验证了它相对于传统方法区分健康组织和疾病组织差距的潜在用途的原理证明。总的来说， GRIN透镜的双折射及其与其他无源/有源光学元件的级联组合为进一步的技术发展提供了丰富的机会。他们相信这种技术有可能在广泛的应用中受益，从量子光学到临床诊断。研究机构：lUniversityofOxford ， Oxford ， U.K.
18、远距离单光子成像
远距离主动成像在包括遥感和目标识别在内的广泛应用具有相当大的兴趣。单光子光探测和测距（激光雷达）具有单光子灵敏度和皮秒时间分辨率，对于远距离成像是可取的。

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图18.中国上海的跨越45公里远距离单光子成像。左内嵌体：成像系统的硬件。中心内嵌：系统原理图。右嵌入：远距离单光子成像案例图
这一领域取得了重要进展，并报告了10公里范围的三维成像。然而，进一步扩大成像范围带来了巨大的挑战，因为只有微弱的回波光子返回，并与强噪声混合。今年，该团队能够显著地扩展成像范围，并大大超过以前的单光子成像范围记录。在他们的实验中，他们在城市环境中演示了长达45公里的单光子三维成像，信号水平为每个像素~1个光子。他们开发了一种专门为远程单光子激光雷达设计的基于硬件和软件实现的先进技术。在硬件上，他们构建了一个高效、低噪声同轴扫描系统，既提高了对弱回波光子的有效采集能力，又提高了对背景噪声的抑制能力。在软件上，他们开发了一种计算算法，可以在低光子检测的情况下实现超分辨率能力和高光子效率。该系统代表了超长距离低功率高分辨率激光雷达的一个重要里程碑。这些结果不仅可能用于遥感和监视的新成像系统，而且对成像科学中最终灵敏度极限的基本问题也有重要的意义。研究机构：lUniversityofScienceandTechnologyofChina ， Hefei ， China
19、通过测量时间获得图像
获得一个场景的图像是明显和直观的。从场景中的每个物体反射的光被镜头收集起来，并投影（成像）到记录光强的像素阵列（传感器）。这一基本的操作原理就是照相机，比如手机里的照相机。一种最近开发的替代技术，单像素成像，这种技术依赖于使用一个照明像素阵列，而不是探测器。通过以某种形式对场景进行空间扫描，并用单像素传感器测量从场景中反射回来的总强度，可以形成一幅图像。将这些方法扩展到3D是可能的，例如，通过立体视觉和飞行时间技术。

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图19.场景用脉冲激光（左）闪光照明的时间测量成像。单点探测器以时间直方图（右上）的形式记录来自整个场景的光子的到达时间，该直方图由图像检索算法处理，呈现3D图像（右下角）。
探测器或照明中，在没有空间感知的情况下形成一幅图像似乎是一项不可能的任务。然而，在该团队最近的工作中，他们确切地问自己，如何做到这一点。为了解决这个问题，他们使用了一个具有时间分辨能力的单点传感器--也就是说，一个没有空间分辨率的传感器，而是测量光子从场景中到达的时间。在该方法中，场景用脉冲激光进行泛光照明，返回光用单点单光子雪崩二极管（SPAD）探测器聚焦和收集。探测器以时间直方图的形式提供来自整个场景的返回光子的到达时间，然后用AI算法在3D中表达场景。通过使用这种方法，他们实现了不同场景的多个人的三维成像，景深可达4米。一个时间分辨的单像素传感器足以进行空间成像，这一事实拓宽了传统上被认为构成图像信息的范围。同样的概念可以转移到任何能够用短脉冲探测场景并精确测量返回“回波”的设备，例如雷达和声距离传感器。这为利用现有技术进行成像和传感开辟了多种可能性，特别是关于自动驾驶车辆、智能设备和可穿戴技术的应用。研究机构：lUniversityofGlasgow ， Glasgow ， U.K.lPolitecnicodiMilano ， Milan ， ItalylTechnischeUniversiteitDelft ， Delft ， Netherlands
20、双折射核壳纳米粒子的天然光子结构
光子结构是许多动物生动的颜色，也是视觉中的反射器和过滤器。一个这样的反射器是膜状层（tapetum），它位于眼睛的光感受器后面。第一次没有被视网膜吸收的光子被膜状层（tapetum）反射回来，以获得第二次吸收的机会，增加了眼睛的灵敏度。该团队最近的工作表明，在几种十足类甲壳动物中，膜状层（tapetum）由直径约300nm的球形纳米粒子组成。每个球体都由板状的等黄翅目昆虫晶体组成，同心排列，很像洋葱的层，在水芯周围的壳中。这些晶体是双折射的，导致不同偏振光的折射率不同。在每个粒子中，晶体a轴总是指向径向。因此，沿径向偏振的光比与纳米粒子表面相切向的光（1.96）具有更小的折射率（1.4）。这种粒子被称为球晶。

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图20.顶部：由结晶的异黄蝶呤板（左）和密集堆积的异黄蝶呤球晶组成的球壳，呈短程有序（右）。左下角：球晶（蓝色）与有效各向同性介质（红色）制成的球壳的后向散射效率。右下角：球晶（蓝色）的紧密填充组件的反射率比各向同性球形壳（红色）的组件具有更宽的波段和更有效的反射。
出于对双折射在这些反射结构性能中的作用的好奇，他们计算了单个异黄蕨类植物球晶的后向散射特性。他们发现，双折射导致可见光波长的后向散射强度增加了两倍，特别是在光谱的蓝色区域，这与海洋甲壳动物的视觉最相关。在这种面心立方结构粒子中，双折射在蓝色波长下产生宽波段的高反射率，约宽于50nm 。高反射率发生在薄到几微米的结构上，这是由于光子能带结构在相关传播方向上的伪隙（pseudogaps）所致。每个球晶的旋转对称性保证了单个球晶取向不影响整个组件的光学性能。每个球晶的直径和壳层厚度似乎都是通过进化来优化的，以在光谱的蓝色区域实现反射器的最佳性能。他们的研究证明了组装纳米球晶的效用，并推动了进一步的研究，以利用双折射的空间变化设计超薄反射光子结构。研究机构：lWeizmannInstituteofScience ， Rehovot ， IsraellBen-GurionUniversityoftheNegev ， Beer-Sheva ， Israel
21、超黑色深海鱼类
超黑色材料（那些反射的光不到照射到它们的光的0.5%的材料）可用于望远镜、照相机和光学设备中在探测器之前吸收杂散光，或改进吸收器（如太阳能电池板）的光捕获。这些难以置信的黑色材料中有许多是由垂直排列的密集碳纳米管组成的，每一千个光子中只有少于一个能反射。最近，科学家发现了几种超黑色的动物。由于在这些动物中创造超黑色着色的结构必须经得起动物生命中的磨损，它们为构造鲁棒的超黑色材料提供了潜在的灵感。今年，该小组报告了一种可能已经多次进化的简单的色素堆积机制，能在深海鱼类中产生超黑皮肤。深海鱼类是地球上最黑的动物之一，也是已知的第一种水生超黑动物。导致它们皮肤着色的进化方法克服了大多数超黑色材料的疏水性。这些鱼的皮肤含有椭球状的黑色素体（含黑色素的细胞器）这些细胞器被随机地包裹在连续的黑色素体层中。当光照射到黑素体层时，单个黑素体将光分散在该层中，有机会被吸收，而不是被反射回光源。

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图21.左图：美国加利福尼亚州蒙特利湾的太平洋黑龙。右上：太平洋黑龙皮肤中黑素体纳米颗粒的TEM图像。右下：FDTD数值模拟表明，超黑深海鱼类（白色圆圈）的黑素体大小和几何形状得到了很好的优化，相对于其他脊椎动物物种（灰色三角形），大大减小了反射率。
利用时域有限差分模型，对超黑鱼的黑素体进行了尺寸和形状优化，以减小反射率。超黑鱼中的黑色小体比其他鱼类更大、更长，他们的模型预测，这种形状的差异使反射率降低了50%以上。他们认为，这种超黑色的皮肤能在一个漆黑的深海背景的生物发光中隐蔽鱼类。与其他天然和人造的超黑色材料一样，这些鱼类依赖于两个过程：吸收和散射。在鸟类和蝴蝶中，散射来自角蛋白或甲壳素纳米结构，吸收来自嵌入在这些基质中的黑色素。然而，在鱼类中，散射和吸收都来自相同的成分：黑色素体。从仿生的角度来看，这种更简单的设计可以不需要构造精心控制的纳米结构。随机紧密包裹的纳米粒子的正确大小和形状提供了一个潜在的解决方案，以构造鲁棒的、易于制造的超黑色材料。研究机构：lDukeUniversity ， Durham ， NC ， USAlMontereyBayAquariumResearchInstitute ， MossLanding ， CA ， USAlSmithsonianInstitution ， Washington ， DC ， USA
22、自然晶体中的单向光传播
光的单向传播不是日常环境中预期的现象，如玻璃窗和阳光。然而，单向传播的可能性是许多光学应用的基础，从用于通信的信号处理设备到如哈利波特式的隐形斗篷等异想天开的例子。在隐形斗篷的情况下，单向光传播对于隐藏是必不可少的，并且正在研究通过合成材料或超材料来实现这个场景的方法。该团队在最近的工作表明，相对于入射角的远红外频率的单向光传播可以发生在简单的天然晶体材料中，如晶体石英。虽然天然晶体材料中的这种光学响应似乎违反直觉，但这些材料在特定频率下可以具有显著的电磁特性，称为共振。这些共振是方向相关的，并且在接近共振频率的情况下，由于双曲色散可能会产生包括负折射等的超材料类光学行为，也就是说，介电常数张量的主分量是负的。此外，通过改变晶体表面的各向异性方向来控制这些共振，可以创建或破坏光传播可能的区域。这可以有效地构建一种“双向”材料，使不透明的光从一边入射，而透明的光从另一边入射。

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图22.晶体石英中的单向传播。左上角：两个不同方向的入射光束的插图。左下角：正（蓝线）和反（红线）入射光束的理论（实线）和实验（虚线）吸收光谱。右：作为入射角和频率的函数的吸收率图。在用这些材料进行的实验中，他们发现频率接近550cm-1（相当于18μm波长）和负入射角时观察到最大吸收，而对于正入射角吸收接近最小。他们的结果支持了自然晶体可以作为高效的功能取向的不对称吸收体的想法。这些特性，加上它们的广泛可用性，产生了这些材料的一些应用，如在开发集成芯片设备时石英的使用那样。研究机构：lUniversityofGlasgow ， Glasgow ， U.K.lShandongInstituteofAdvancedTechnology ， Jinan ， China
23、眼睛晶状体的单功能模型
视觉能够与环境进行充分的感官互动，理解环境的复杂性和彻底地知情决策。因此，视觉通常被认为是最重要的感官。最简单的描述是，人眼是一个由两个光学透镜组成的系统：角膜、晶体透镜、以及一个屏幕，即视网膜，在这个屏幕上形成来自透镜的图像。在最近的工作中，该团队展示了如何使用单功能来模拟晶状体的光学响应，他们相信这一进展将为诸如人工种植透镜和更广泛的光学领域的应用设计提供参考。

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图23.左：水平面与泊松高斯函数的交点使梯度折射率的等高线图能够在给定形状的建模透镜中绘制。右：GRIN特性可以通过单个参数与透镜几何形状的变化有关，从而形成晶体透镜的动态模型。
晶状体在图像精细聚焦中的关键作用是通过其形状的变化及其不均匀折射率或梯度折射率（GRIN）来实现的。后一种属性代表了一个进化过程的结果，即使是现代材料科学和技术，也很难复制。一个原因是，创建一个同时包含两个参数的晶状体模型一直是一项艰巨的任务。由于晶状体的不对称性，许多提出的模型都采用了分裂的方法，分别观察GRIN的前后分布和晶状体的形状，尽管一个参数的变化可以改变另一个参数。
在今年发表的工作中，该团队提出了一个克服这一缺点的模型，关注GRIN与透镜形状之间的动态相互关系，以及当透镜改变焦点时，它们是如何同时变化的。他们的工作表明，通过结合两个统计函数（泊松和高斯分布）可以创建一个动态的3D模型，既考虑了GRIN ，也考虑了当镜头形状被调整以使聚焦在很宽的距离范围内时它是如何变化的。这意味着模型密切模仿生物透镜的功能。这种先进的镜头模型融入到一个有最小的像差的示范眼睛中，预期会产生像人眼一样的功能。此外，该设计可以针对不同年龄的眼睛进行修改。随着组织工程和三维生物打印的最新进展，可以证明该模型可用于人工晶状体的创建和白内障手术后个性化人工晶状体的设计相关。他们认为，它在生物医学光学、眼科和工程学科等领域也有更广泛的潜在应用。研究机构：lTecnologicodeMonterreyandCentrodeInvestigaciónCientíficaydeEducaciónSuperiordeEnsenada（CICESE）， MexicolStaffordshireUniversity ， U.K.lInstitutoNacionaldeAstrofísica ， ópticayElectrónica ， Coordinacióndeóptica ， Mexico
24、用生物集成微激光进行心脏传感
跳动的心脏代表了一个要求异常苛刻的环境，由于超快的组织动力学和严重的密集的肌肉纤维光散射，即使用最先进的显微镜技术也是如此。然而，单个心脏细胞收缩的特征对于理解心脏病、改善心脏移植和推进心脏干细胞治疗具有根本重要性。为了克服心脏传感面临的局限性，该团队探索了集成显微镜激光作为新的、超敏感的和非常明亮的心脏组织收缩性探针。

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图24.左上角：共聚焦显微镜显示新生心肌细胞胞浆内有聚合物微激光（绿色），周围有肉瘤蛋白cTnT（灰色）和细胞核（洋红）。标尺：10μm.顶部中心：附着在斑马鱼心脏上的微油。标尺：50μm.左下角：一个连续激发的细胞内微激光器的重建折射率剖面，显示单细胞水平上的详细收缩信息。右：图示活体心肌切片心肌收缩力的测量，可达组织厚度400μm 。
此前已经证明球形whispering-gallery-mode微激光器可以被各种生物细胞主动内化而成，并且在远程光泵浦下在这些单个细胞内产生自我维持的激光发射。该团队发现，由于微激光器对折射率局部变化的敏感性，对放置在心肌细胞（cardiomyocytes）中的微激光器的发射光谱进行分析，能够在其直接环境中提取收缩力的瞬态分布。结果是定量的，与形成肌纤维的收缩丝（肌原纤维）的蛋白质密度有关。每个微激光的光谱剖面也提供了一个独特的光学条形码，以在长时间内跟踪单个心脏细胞。
为了探索基于微激光的收缩探针的平移视图，在活斑马鱼的心脏中进行了光学心脏传感。记录了详细的单细胞收缩力剖面，表明该技术不受心脏本身快速运动的影响。最后，他们探索了通过将微激光器集成到活的心肌切片中来检测这些深部散射组织的轮廓的能力。目前可用的多光子显微镜无法解决切片中单个细胞的收缩，其深度仅为100μm 。与此相反，心脏切片中的微激光传感提供了更深的穿透力，能够可靠地检测到高达400μm的组织深度的收缩力，而不需要多光子激发。结合新开发的纳米激光器，这项技术可以开发新的平移方法，在跳动的心脏深处可靠地非侵入性获取移植细胞和人工心脏组织的功能特性。研究机构：lUniversityofSt.Andrews ， St.Andrews ， U.K.
25、用光学脉冲激活血小板
血小板是提供止血，阻止血液流动，从而确保血液不会通过可能发生的血管的任何小损伤泄漏的细胞。止血反应始于血小板活化，当血小板感觉到血管外环境特有的刺激时触发。血小板活化的研究很重要，因为这一过程在许多病理条件下起着重要的作用。在今年发表的工作中，该团队研制了一种光学方法，可用来对血小板活化动力学进行更好的观察。

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图25.顶部：光学血小板活化实验装置的原理图模型。左下角：对照实验，不带罩的ADP ，表明两次紫外线不影响血小板钙信号。右下角：带罩的ADP实验中获得的几个典型信号。
血小板活化的标志是细胞质中钙离子浓度的激增。这种模式允许人们使用实时钙探针跟踪血小板活化的动态变化。激活本身可以通过添加二磷酸腺苷（ADP）在体外触发，因为血小板对ADP有特殊的受体，这种物质在血管壁损伤时从受损细胞中解析出来。在工作中开创性地引入这种方法，导致了对血小板活化过程的定量理解。然而，在这些研究中，血小板被固定在表面上，这改变了细胞的性质，从而改变了激活的动力学。最近，他们通过一种新的实验方案来克服这种不足，其中血小板活化是由光脉冲触发的。该方法能够研究激活而不用将血小板附着在表面，因为没有增加激动剂引起的位移。该方案基于由光活性化合物罩着的ADP ，在紫外光照射下释放。该系统允许跟踪单一的、自由移动的细胞的血小板激活的早期阶段的情况。
该方法中，带罩的ADP在实验前与血小板的悬浮液混合。它不与ADP受体结合，直到紫外线闪光被应用，允许扩散和结合到ADP受体及时分离。他们使用340nm、3WLED连接到Arduino板进行紫外线照明，以允许控制闪光灯的持续时间。他们说，该实验首次实现了血小板活化早期的精确单细胞测量。该方法为血小板研究开辟了新的途径，包括研究细胞间信号传递和不同生化途径的非线性相互作用。他们相信，所描述的方法将促进血小板功能在各种生理和病理条件下的研究，并有助于心血管疾病的诊断。研究机构：lNovosibirskStateUniversity ， Novosibirsk ， Russia
26、深度学习重聚焦三维图像
高通量体积荧光显微成像仍然是生物学、生命科学和工程领域的一个重要挑战。成像三维荧光样品通常涉及扫描以获取不同焦平面的图像，这不可避免地降低了成像速度，并由于重复曝光和激发而增加了样品上的光子剂量。虽然许多方法已经实现了无扫描体积荧光显微成像，这些早期的技术通常需要添加定制的光学元件，这会导致光子损耗和像差增加。

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图26.线虫荧光图像的Deep-Z三维数字重聚焦提供了与更麻烦和光子剂量密集的机械扫描所获得的结果相媲美的结果，从而减少了成像时间和对样品的潜在光损伤。
作为一种替代方法，该团队创建了一个基于深度学习的框架Deep-Z ，以将二维荧光显微图像数字化地重聚焦到用户定义的三维表面上。该框架允许从标准的宽场荧光显微镜图像中进行体积推断，而不需要任何机械扫描、附加硬件或平衡成像分辨率和速度。在Deep-Z中，对卷积神经网络（CNN）进行训练，以快照2D荧光图像和用户定义的数字传播矩阵（DPM）作为输入，该矩阵表示每像素轴向重聚焦距离。CNN在DPM定义的精确三维表面输出数字重聚焦图像。
利用Deep-Z ，他们用标准的宽场荧光显微镜对线虫的神经元进行了三维成像，并在计算上将其固有的场扩展了20倍。在Deep-Z的输出下，输入图像中不可分辨的荧光特征可以根据它们在三维中的真实轴向位置在不同深度被聚焦和解析，匹配聚焦扫描的背景图像而不执行实际的机械扫描。这大大减少了成像时间和对样品的光损伤。Deep-Z进一步实现了频率高达100赫兹的活的线虫神经元高通量纵向体积重建。利用标准宽场荧光显微镜在单个焦平面上捕获的二维图像序列，生成移动线虫的时间同步虚拟图像栈。在获取单个图像后，还可以将空间不均匀的DPMs输入到CNN中，对样本漂移、倾斜、场曲率和其他图像像差进行数字校正。Deep-Z还能够在不同的显微镜模式下进行虚拟重聚焦。例如，该框架可以被训练成几乎重聚焦快照宽场荧光图像，并在不同的焦点随机地推断和输出共焦等效图像。这对于减少共聚焦扫描过程中可能发生的成像时间和光损伤特别有用。研究机构：lUniversityofCalifornia ， LosAngeles ， CA ， USA
27、标准图像超分辨率显微技术
图像边缘检测是定量细胞生物学、纳米光子学等领域的一个关键问题。虽然已经开发了许多边缘检测算法，但它们都在精度上受到严重的限制。事实上，一项关于量化细胞迁移的研究表明，改变边缘检测方法或其参数之一会导致边缘检测算法精度可实现高达25%的提高。今年，该团队提出了一种在单一标准图像中进行超分辨率边缘检测的计算方法，为检测特征远小于显微镜点扩展函数（PSF）的物体的形状提供了可能性。

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图27.顶部：截短星形（左）的人工图像与显微镜PSF卷积，并添加噪声（中心）。蓝点（右）显示了SUPPOSe算法对边缘的重建，叠加在背景图像上。底部：具有10倍目标（左）和边缘重建的荧光珠图像，与40倍目标图像重叠。该工作是基于他们最近提出的一种去卷积算法，即点源叠加（SUPPOSe），它通过等强度的虚点源的叠加来逼近要重建的对象。在该算法中，点源的随机初始位置向类似于背景图像的解决方案演化，精度远小于PSF宽度。虽然其他去卷积算法因必须施加正则化项来克服数学问题不合理的事实失去了分辨率，但SUPPOSe没有，因为源强度按定义在其公式中确定是正的。SUPPOSe算法的一个限制是源必须有点稀疏，因此它不能应用于密集对象。在他们今年发表的工作中，通过用离散数量的点源拟合边缘，并拟合图像的梯度，发现可以使用改进的SUPPOSe方法找到对象的梯度。
他们认为这是对显微镜图像去卷积的一个主要贡献，因为它能够恢复小于显微镜PSF的物体的形状，如上图所示。到目前为止，他们的工作已经用于荧光显微镜成像。然而，他们提出的唯一实质要求是空间相干性小（即不同的点必须强度相加。）因此，该技术可以推广到任何其他超分辨率方法不适用的非相干显微镜技术，如STORM、STED和PALM 。研究机构：lUniversidaddeBuenosAires ， Argentina
28、皮米灵敏度的光波前传感技术
精密光学波前计量学在科学、工业和基础研究领域至关重要，从微光刻机不（Microlithography）到定量显微镜到引力波观测站。对系外行星的直接成像也需要严格的波前传感和控制在皮米尺度上的整个采集孔径。虽然地面系统可以进行这种测量，但仍然缺乏适合空间使用和可以使用恒星光子进行传感的类似系统。

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图28.左：RMS面形图误差（以PM计），绘制为均方差的函数。浅蓝色包络显示了测量的重复性。在100次平均（~4.3秒）之后，该系统的重复性达到1.6pm ，大多数大气残差已经平均掉。在这一点之后，重复性降低了均方根（与光子噪声一致）。右：不同平均次数的光学测试的面形图。
泽尼克（Zernike）相位对比度技术由于其固有的简单性、鲁棒性和灵敏度而非常适合于这种测量。该传感器的关键元件是一个酒窝状元件，直径约为λ/D ，光学厚度约为λ/4 ，蚀刻在玻璃基板上。这个元件被放置在中间焦平面，就在瞳孔观察相机前面。该焦平面上的点扩展函数以相位对比度掩模为中心。结果是一种共模干涉仪，其中光的直流部分相对于其高阶部分进行相移。在随后的瞳孔平面中，输入瞳孔平面中的相位误差被编码为强度误差。该方法已被用于测量较大的振幅，较低的空间频率误差，如尖端/倾斜和焦点。
在今年发表的工作中，他们开发了一种更鲁棒的相位重建表达式，它允许在可能的最高空间频率（由最终瞳孔成像检测器照明的像素数设定）上非常精确地测量小相位变化。他们用非常小的信号实验，以证明其适用于天基高对比度飞行任务。该试验台的测量重复性受到光子噪声和大气相位湍流的限制。他们通过连续快速测量大气湍流，调节表面平坦的变形镜（DM），激活DM执行器变为华夫饼形状。用形状差异来去除大气的准静态部分；平均这些差异来减少剩余大气残差的时间的变化，以及光子噪声的影响。实验结果表明，相位对比度技术可以作为一种强大的波前传感方法，并在一个简单的结构中达到难以置信的精度水平。研究机构：lJetPropulsionLaboratory ， CaliforniaInstituteofTechnology ， Pasadena ， CA ， USA
29、用于太阳能热水卫生系统的超吸黑色金属表面
气候变化、人口增加和废水管理不足的综合影响助长了全球水危机。废水回收可成为环境可行的解决办法的一部分。在最近的一项工作中，该团队开发了一种用于水卫生系统的超吸、超吸光（SWSA）太阳能可跟踪面板，来实现这一目标。就像自然雨一样，太阳能可以使废水可饮用。然而，传统的太阳能蒸发系统有严重的热损失。他们最近开发了一种界面蒸发方法，在同一表面发生太阳--热发热和水蒸发。这种蒸发器需要一个带有吸收表面的太阳能吸收器。然而，大多数以前开发的太阳能吸收器表面受到其平面外和封闭的微毛管结构的几何约束。这意味着，这些蒸发器必须水平漂浮在水面上，从而无法跟踪太阳以优化可用的太阳辐照度。因此，当太阳处于较大的天顶角时，这些蒸发器的效率显著降低。
在他们开发的系统中，把一块闪亮的铝加工成漆黑色，并通过飞秒激光加工制成超吸。所得到的SWSA表面平均吸收率约为97% ，水在垂直安装的表面上高速向上流动。此外，水分子与表面的相互作用改变了其分子间键，导致蒸发焓显著降低。结合所有这些特点，他们展示了高效率的太阳-热生成水蒸气，蒸发速率超过了理想的装置，以100%的效率工作。与大多数以前的封闭微乳头基吸收器相比，该SWSA表面有一组与表面平行的开放微帽，支持安装在任何角度的面板上的高的水传输速率。因此， SWSA表面可以与商业的跟踪太阳-热技术相结合，以增加有效蒸汽生成的总可用太阳通量。他们还演示了一个双面SWSA面板，其效率比单面SWSA高150% 。由于其开放式毛细管结构， SWSA表面可以很容易地清洗和重复使用，维护要求低。他们的实验表明，基于SWSA的装置可以用于从一系列污染物中净化水，净化水中的污染物水平低于世卫组织和环保局的安全饮用水标准。研究机构：lTheInstituteofOptics ， UniversityofRochester ， Rochester ， NY ， USA
30、塑料废物的低成本分类
令人震惊的是，全世界50%的塑料生产被一次性使用，然后被处置，导致自然资源的污染和枯竭。虽然回收可以帮助解决这一问题，但准确识别塑料类型是使其可行的关键步骤。识别中的任何错误都会降低最终产品的质量。最近，该团队采用激光诱导击穿光谱（LIBS）和机器学习来创造一种成本很低的快速分类塑料废物的方法。各种基于激光的塑料分选方法已经被报道，但塑料的颜色和厚度对它们的性能有很大的影响。LIBS可以帮助克服传统光谱技术所面临的许多困难，只需最小的样品准备，并且能够在事件场景中使用。然而，大多数基于LIBS的塑料分类研究都使用了原始样品，并且许多实验使用了一种Echelle谱仪耦合到一个强化电荷耦合器件（ES-ICCD），一个相对昂贵和笨重的系统，不利于实时现场应用。
利用低成本LIBS系统的光谱数据，结合机器学习算法，能够快速识别十种不同类型的消费后塑料。使用CzernyTurnerCCD光谱仪（CT-CCD）使该系统不仅重量轻、紧凑，而且更便宜，而单镜头信号采集使识别更快速。使用随机森林算法进行波长选择大大减少了存储机器学习训练数据所需的内存，也减少了测试未知样本所需的时间。该系统能够成功识别消费后的塑料，平均精度约为97% 。他们还系统地研究了数据采集条件、光谱仪、信噪比和分析方法（主成分分析、人工神经网络和随机森林）对识别精度和测试时间的影响。所有样品都是从回收厂收集的，模拟实时应用的条件。用CT-CCD光谱仪进行的分析表明，与用于单次采集的ES-ICCD相比，总体识别时间减少了大约15倍。在不到10毫秒的时间内，一个未知的塑料被归类为他们研究中使用的十种类型之一。他们相信，这项工作有很大的潜力，以实现现场配置、低成本、紧凑的LIBS系统，快速实时分类塑料废物--并有助于更有效、可行的塑料回收。研究机构：lUniversityofHyderabad ， Hyderabad ， Telangana ， India
原文标题：年终盘点|2020光学领域30项重大进展梳理
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2020光学领域30项重大进展梳理

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