2017年光學(xué)熱點(diǎn)回眸

謝興龍 沈衛(wèi)星 朱健強(qiáng)

光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，它的研究對(duì)象是光的行為和性質(zhì)。隨著激光器的誕生，產(chǎn)生現(xiàn)代光學(xué)；隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代光學(xué)也得到迅猛發(fā)展。激光科學(xué)和激光技術(shù)極大地促進(jìn)了物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了一批十分活躍的新興學(xué)科和交叉學(xué)科，如激光化學(xué)、激光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)和信息光學(xué)等；同時(shí)，激光在精密計(jì)量、遙感和遙測(cè)、通信、全息術(shù)、醫(yī)療、材料加工、激光制導(dǎo)和激光引發(fā)核聚變等方面獲得廣泛應(yīng)用。

眾所周知，2017年的諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了從事引力波直接測(cè)量的3位物理學(xué)家，而他們的測(cè)量工作即使用了位于美國華盛頓州和路易斯安那州的兩臺(tái)叫做“LIGO”的激光干涉儀，這是一個(gè)現(xiàn)代光學(xué)和激光技術(shù)直接應(yīng)用的典范。2017年《Nature Photonics》在10周年紀(jì)念的特輯中提到了現(xiàn)代光學(xué)的10個(gè)研究熱點(diǎn)，美國光學(xué)學(xué)會(huì)報(bào)道了世界范圍內(nèi)的11個(gè)研究熱點(diǎn)和31個(gè)研究成果，這些成果與人類的日常生活息息相關(guān)、密不可分。這里選取光學(xué)領(lǐng)域中的微納光學(xué)、超強(qiáng)激光、超分辨技術(shù)、太赫茲技術(shù)、量子計(jì)算、激光3D打印、計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)、光通信、生物光子學(xué)和X射線成像10方面進(jìn)行簡單介紹，并回顧其近1年來的研究進(jìn)展。

1 微納光學(xué)

微納光學(xué)指利用微結(jié)構(gòu)材料作為光學(xué)元件的光學(xué)分支。微納光學(xué)的發(fā)展得益于20世紀(jì)80年代納米技術(shù)的誕生，由于在航空、航天、軍事、生命科學(xué)和健康保健、汽車工業(yè)、仿生機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景，微納光學(xué)一經(jīng)問世就成為科技界的熱門研究領(lǐng)域之一。微納光學(xué)所涉及的尺度范疇為原子分子量級(jí)，隨著生長技術(shù)、精密加工技術(shù)的進(jìn)步，其微結(jié)構(gòu)的尺度已下降至納米量級(jí)，從而出現(xiàn)了許許多多新的光學(xué)特性，這些“新”的光學(xué)規(guī)律是宏觀上無法體現(xiàn)的，這就要求必須對(duì)其微觀光學(xué)特征進(jìn)行研究，直接催生了微納光學(xué)這一領(lǐng)域的誕生。

2017年，微納光學(xué)一個(gè)熱門研究方向是表面等離子體光子學(xué)研究。表面等離子體是沿導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?dāng)改變金屬表面結(jié)構(gòu)時(shí)，表面等離子體激元（SPPs）的性質(zhì)、色散關(guān)系、激發(fā)模式、耦合效應(yīng)等都將產(chǎn)生重大變化。通過SPPs與光場(chǎng)之間的相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光傳播的主動(dòng)操控。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，表面等離子體被廣泛研究用于光子學(xué)，對(duì)它的原理、新穎效應(yīng)及機(jī)制的探究，都極大地吸引研究者的興趣。除了表面等離子體激元之外，包括光學(xué)超晶格、集成光學(xué)、近場(chǎng)光學(xué)等進(jìn)展，使得微納光學(xué)在納米尺度上有了更多的方向和應(yīng)用；另外負(fù)折射材料、突破衍射極限光學(xué)、光鑷等也都屬于微納光學(xué)。

2017年7月報(bào)道了在光波導(dǎo)上嵌入光學(xué)納米天線，其中金納米棒充當(dāng)饋電元件的角色，相當(dāng)于無線電波中的天線；光波導(dǎo)則相當(dāng)于無線電波中的電纜，可以接收由天線檢測(cè)到的電磁波。

與傳統(tǒng)天線相比，光學(xué)納米天線首先在維度上是最小尺度，可以達(dá)到亞微米級(jí)。這樣的納米天線有助于在硅芯片上實(shí)現(xiàn)光子元件的高密度集成。事實(shí)上，納米光學(xué)天線是基于表面等離子共振的光子器件。由于等離子共振波長要遠(yuǎn)小于最短的光波，從而使得器件的尺寸要比本身依賴光波的器件要小。

另外，在光子芯片研究中，報(bào)道了一種硅光子集成網(wǎng)，可以自動(dòng)配置任意混合的光學(xué)光束，而不需要對(duì)散射系統(tǒng)有任何預(yù)先的了解。這種結(jié)構(gòu)集成了6種受熱控制的馬赫-曾德爾干涉儀，它們是連續(xù)的，并且自動(dòng)地調(diào)整，不需要計(jì)算，可以同時(shí)重構(gòu)、分離（帶有一個(gè)小于20 dB的剩余串?dāng)_），并將4束光在多模波導(dǎo)中完全混合在一起。通過用不同的導(dǎo)波來控制每個(gè)信號(hào)，內(nèi)置的透明探測(cè)器監(jiān)視網(wǎng)格上每一種模式的演變，允許用一個(gè)簡單的、漸進(jìn)的算法對(duì)每個(gè)干涉儀進(jìn)行調(diào)優(yōu)和自適應(yīng)的反饋控制。整個(gè)網(wǎng)格由定制設(shè)計(jì)的電子線路控制，在模式混合被嚴(yán)重干擾后自動(dòng)重新設(shè)置，可以在幾秒的時(shí)間范圍內(nèi)完全重新配置，并可以追蹤在幾百毫秒的時(shí)間尺度上進(jìn)行的時(shí)變混合模式。

2 超快光學(xué)與強(qiáng)激光

超快光學(xué)利用超短脈沖激光研究一系列超快現(xiàn)象，其研究的最短尺度已推進(jìn)到阿秒量級(jí)。阿秒脈沖的研究已從單純的激光技術(shù)研究拓展到激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域，首先利用飛秒激光脈沖與物質(zhì)的非線性過程，產(chǎn)生光譜相干的一系列級(jí)次的高次諧波，然后通過物理過程實(shí)現(xiàn)脈沖的壓縮從而獲得阿秒量級(jí)的脈沖序列。

2017年7月，《Physics Review Letters》報(bào)道了阿秒（10-18s）時(shí)間尺度探測(cè)分子核動(dòng)力學(xué)的最新研究成果。通常高次諧波輻射過程中每半個(gè)激光周期內(nèi)有2條費(fèi)曼量子路徑對(duì)諧波輻射產(chǎn)生貢獻(xiàn)，根據(jù)每條費(fèi)曼路徑的特性，高次諧波的光子頻率和輻射時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，這一特征可用于阿秒時(shí)間分辨的測(cè)量。基于瞬時(shí)相位匹配原理，研究團(tuán)隊(duì)成功地在空間和頻域上分辨出不同的費(fèi)曼路徑，并建立了不同費(fèi)曼路徑高次諧波的光子頻率和時(shí)間的一對(duì)一映射，從而獲得更完整的信息和時(shí)間測(cè)量范圍。超快光學(xué)方面的研究還包括超快成像技術(shù)，時(shí)域?qū)挾仁浅上竦摹翱扉T”，飛秒級(jí)別的快門可對(duì)超快速移動(dòng)的物體成像（飛秒脈沖的快門時(shí)間內(nèi)，光子的移動(dòng)距離為微米量級(jí)）。

強(qiáng)激光技術(shù)是超快光學(xué)研究的另一個(gè)方面，目前世界范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)大大小小的超短脈沖激光系統(tǒng)已達(dá)數(shù)百臺(tái)，通常把聚焦峰值功率輸出達(dá)到1022～10-24W/cm2的系統(tǒng)稱之為超強(qiáng)激光系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可以為強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬極端環(huán)境下的天體物理?xiàng)l件提供實(shí)驗(yàn)手段。這類大型系統(tǒng)也是目前光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要熱點(diǎn)。2008年，法國科學(xué)家G. Mourou提出建造EW（總功率達(dá)到1018W）激光之后，國際上先后涌現(xiàn)一些國家實(shí)驗(yàn)室，提出和實(shí)施了超短超強(qiáng)激光脈沖系統(tǒng)研制計(jì)劃，這其中具有代表性的有歐洲的Extreme Light Infrastructure（ELI）計(jì)劃、法國的APPLLION計(jì)劃、俄羅斯珍珠計(jì)劃和英國火神的VULCAN2020計(jì)劃。

在中國，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上海光機(jī)所）最早開始了設(shè)計(jì)和建造數(shù)拍瓦（1015W，PW）超短脈沖激光系統(tǒng)的計(jì)劃，經(jīng)過多年研究，目前在激光技術(shù)和系統(tǒng)集成方面已走在世界前列。上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室最初為中國科學(xué)院和中國工程院聯(lián)合創(chuàng)建的專門從事高功率固體激光技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室擁有國際上知名的神光-II激光裝置。2014年實(shí)驗(yàn)室研制的波長為1053 nm的皮秒拍瓦激光，是國內(nèi)唯一全方位支撐快點(diǎn)火、質(zhì)子加速、強(qiáng)輻射源、實(shí)驗(yàn)室天體物理和前沿基礎(chǔ)等研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突破了大型激光系統(tǒng)中大能量、高峰值功率和高信噪比輸出的核心瓶頸問題，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際同類裝置先進(jìn)水平。2017年，在激光質(zhì)子加速物理實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用400 J/1ps的激光轟擊10 μm厚的靶，獲得了超過50 Mev的質(zhì)子能量，靶前超熱電子溫度達(dá)到5.15 MeV，是目前國際同類激光裝置物理實(shí)驗(yàn)的最高水平，也進(jìn)一步表明了神光-II皮秒拍瓦激光裝置的綜合性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。同年，實(shí)驗(yàn)室的5 PW飛秒激光系統(tǒng)在1.7 PW輸出基礎(chǔ)上成功開展了第1輪物理實(shí)驗(yàn)。

世界范圍內(nèi)，如果單純從激光系統(tǒng)的參數(shù)方面，已經(jīng)輸出接近5 PW，但是這些系統(tǒng)離實(shí)用還有很多工作要做，包括系統(tǒng)的光束質(zhì)量控制、信噪比控制、脈沖壓縮優(yōu)化、聚焦特性和元器件的高損傷閾值研究等。

3 超分辨技術(shù)

超分辨技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域具有無法替代的作用，它利用低能量的長波長探測(cè)光實(shí)現(xiàn)分子尺度的高精度探測(cè)，與常規(guī)的短波長探測(cè)相比，可以盡可能地減少對(duì)觀測(cè)對(duì)象的破壞，實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞的實(shí)時(shí)觀測(cè)。隨著新型熒光分子探針的出現(xiàn)和成像方法的改進(jìn)，在成像的分辨率方面得到極大改進(jìn)，達(dá)到可以與電子顯微鏡相媲美的精度，并可以在活細(xì)胞上看到納米尺度的蛋白質(zhì)。這些技術(shù)上的進(jìn)步勢(shì)必極大地推動(dòng)生命科學(xué)的發(fā)展，增強(qiáng)生物學(xué)家對(duì)于超分辨率熒光顯微成像機(jī)理的理解。

為了獲得更好成像效果，科學(xué)家曾經(jīng)嘗試了許多方法，如使用越來越短的光波，擴(kuò)大成像系統(tǒng)口徑及增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑等，發(fā)展了一種全新的受激輻射損耗成像技術(shù)（STED），成功突破了衍射極限的限制。超分辨的另一項(xiàng)技術(shù)是掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)，在顯微鏡系統(tǒng)中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)損失了很多高頻成分的物光波，因此無法突破衍射極限。隨著近場(chǎng)光學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到，實(shí)際上還有很多高頻物光波以“倏逝波”的形式束縛于物體表面，無法進(jìn)入成像系統(tǒng)。如果有方法可以將這種近場(chǎng)“倏逝波”利用起來，則可實(shí)現(xiàn)超分辨成像，掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）應(yīng)運(yùn)而生。除了上述幾類技術(shù)之外，超分辨成像領(lǐng)域還有光激活定位顯微鏡技術(shù)（PALM）、隨機(jī)光學(xué)重建顯微技術(shù)（STORM）、結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)（SIM）等。

可見光顯微鏡可以在高的空間分辨率下獲得令人驚嘆的圖像，使用近乎完美的透鏡，將光聚焦在比波長小的范圍內(nèi)，到大約λ/2 NA的阿貝極限（NA是數(shù)值孔徑）。軟X射線（SXR）光的波長為可見光波長的1/100～1/10，利用軟X射線可以設(shè)計(jì)出一種強(qiáng)大的顯微鏡，可以看到結(jié)構(gòu)足夠小或并不透明的結(jié)構(gòu)，而在可見光下看不到。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但是，研究深紫外（EUV）和SXR顯微鏡長達(dá)60年的歷史中一直受到兩大挑戰(zhàn)：缺乏明亮的EUV/SXR范圍相干源，以及衍射（波帶片）X射線光學(xué)形成的圖像是受損的、不完美的和極其有限的空間分辨率（約10λ）。因此，在2010年之前，在SXR中實(shí)現(xiàn)得最好的空間分辨率是大約12 nm（使用2 nm同步加速器），而在實(shí)際樣品測(cè)試時(shí)，空間分辨率通常是25～30 nm。

幸運(yùn)的是，這些挑戰(zhàn)近年來得到解決?，F(xiàn)在，可以使用高次諧波（HHG）產(chǎn)生的桌面相干EUV/SXR光束。此外，新一代強(qiáng)大的相干-差分成像（CDI）技術(shù)正突破傳統(tǒng)X射線顯微鏡所施加的分辨率限制，用強(qiáng)大的迭代相位檢索算法取代有損的X射線和不完美的X射線光學(xué)方法。特別是一種叫做疊層成像的CDI技術(shù)近年來取得非凡成果。在疊層成像技術(shù)中，收集鄰域和重疊區(qū)域的散射圖樣，并得到衍射數(shù)據(jù)的冗余，使圖像重建具有精細(xì)的相位對(duì)比度。最近研究工作已經(jīng)擴(kuò)展了疊層成像技術(shù)，演示了在短波長下的第1個(gè)亞波長分辨率成像。研究人員獲得了1個(gè)擴(kuò)展樣本的高質(zhì)量成像，空間分辨率為0.9λ，同時(shí)也展示了對(duì)近周期物體的高保真、全場(chǎng)、定量成像。在這項(xiàng)工作中使用的13.5 nm波長和能夠可靠地對(duì)近周期物體成像的能力在技術(shù)上與下一代的EUV光刻、納米電子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和自我組裝的納米結(jié)構(gòu)及納米增強(qiáng)設(shè)備的功能性成像技術(shù)都有很大關(guān)系。此外，由于HHG產(chǎn)生時(shí)間極短的光（約為10-15s），它也可以用來制作頻閃觀影的電影，以觀察納米世界的運(yùn)作方式。

光學(xué)顯微鏡，也許是生物醫(yī)學(xué)研究中最重要的工具，由于光散射，目前只能在幾百微米的組織內(nèi)成像。所有能超越這些深度的技術(shù)都將受到低分辨率的影響。在這些方面，深度組織光學(xué)成像的主要方法是光聲成像，在這種成像中，由于光吸收而產(chǎn)生的超聲波被用來形成深層結(jié)構(gòu)的圖像。然而，在超過1 mm的深度，聲衍射限制了光聲成像的分辨率，至多是比光衍射極限的數(shù)量級(jí)要差。

最近一項(xiàng)研究證明了傳統(tǒng)的聲衍射極限可以通過將動(dòng)態(tài)光斑照明與基于壓縮傳感的先進(jìn)計(jì)算重建算法相結(jié)合。超分辨率解決方案基于2個(gè)來源：第1個(gè)是由動(dòng)態(tài)散光照明引起的不相關(guān)的光聲信號(hào)波動(dòng)，這類似于熒光顯微鏡下超分辨率光學(xué)波動(dòng)成像（SOFI）的熒光波動(dòng)；第2個(gè)來自于一個(gè)壓縮傳感重建框架。已證明在（未知的）斑點(diǎn)照明模式和非負(fù)性結(jié)構(gòu)上的光斑的基礎(chǔ)上，利用固有的先驗(yàn)性，使其在成像保真度和捕獲時(shí)間的大幅減少中獲得可觀的增長，而光斑的波動(dòng)是不可能的。這項(xiàng)研究成果可能為以前不可能實(shí)現(xiàn)的對(duì)深埋結(jié)構(gòu)的光學(xué)研究開辟了道路。

4 量子計(jì)算

量子計(jì)算中的光子計(jì)算機(jī)是一個(gè)重要方向。利用光子是玻色子而電子是費(fèi)米子、光子不帶電荷而電子帶電荷等特性，有望打破電子計(jì)算機(jī)的電子速度瓶頸，并可實(shí)現(xiàn)高密通道以及超高集成度（量子點(diǎn)激光器甚至可以小到0.1 μm）。2017年的新進(jìn)展是玻色子采樣量子計(jì)算機(jī)（Boson sampling on a photonic chip）。量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)外部干擾要敏感得多，因此，創(chuàng)造穩(wěn)定的量子門，即量子計(jì)算機(jī)的基本切換系統(tǒng)，成為科學(xué)家的主要目標(biāo)。

利用單個(gè)硅電子的電子自旋作為量子位（即基本的信息存儲(chǔ)單元），研究人員創(chuàng)造了穩(wěn)定的量子門，可以精確控制和讀取2個(gè)量子位的相互作用。量子門作為量子計(jì)算機(jī)的基本元素，能夠執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)所有必要的基本操作。這項(xiàng)研究成果被稱為通向量子計(jì)算機(jī)的里程碑。

該研究的第1個(gè)成就是從硅片的數(shù)十億個(gè)原子中提取單個(gè)電子，利用電磁吸引力和斥力的組合，將單個(gè)電子分離出來，然后精確地排列，讓每個(gè)電子嵌入1個(gè)“槽”中，使其處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。接下來的挑戰(zhàn)是開發(fā)1個(gè)可以控制每個(gè)電子自旋脈沖的系統(tǒng)。一種方法是：每個(gè)電子都置于1個(gè)納米電極上，通過所謂的磁場(chǎng)梯度，創(chuàng)建1個(gè)定位磁場(chǎng)，用其控制電子的旋轉(zhuǎn)脈沖，由此創(chuàng)造穩(wěn)定的1個(gè)量子位系統(tǒng)，以電子自旋形式存儲(chǔ)和讀出信息。

但僅有1個(gè)量子位還不足以構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本切換系統(tǒng)，必須要有2個(gè)量子位。這項(xiàng)研究的決定性一步是康斯坦茨大學(xué)研究人員將2個(gè)電子的狀態(tài)耦合在一起，形成雙量子位系統(tǒng)。通過這種結(jié)合，可以構(gòu)建基本的切換系統(tǒng)，利用它可以執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)的所有基本操作，例如，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，使得電子只有當(dāng)其相鄰電子在預(yù)定方向上具有自旋時(shí)才旋轉(zhuǎn)。下一步，康斯坦茨大學(xué)的科學(xué)家還將建立一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)來控制2個(gè)單電子的旋轉(zhuǎn)。

谷歌、IBM等世界級(jí)公司和全球大型科研中心加入了量子計(jì)算的競(jìng)賽，其目標(biāo)是制造性能為普通計(jì)算機(jī)百萬倍的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)是有必要的，因?yàn)楫?dāng)代計(jì)算機(jī)的潛力幾乎已經(jīng)耗盡。人類進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，所有一切都將接入全球網(wǎng)絡(luò)，而控制這些設(shè)備需要新一代計(jì)算機(jī)。10萬個(gè)量子比特的系統(tǒng)將會(huì)通過搭建準(zhǔn)確的分子模型，從而顛覆材料、化學(xué)和制藥行業(yè)。谷歌公司宣稱，它研制的D-Wave量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度是普通計(jì)算機(jī)的1億倍。雖然這種機(jī)器還不能用于日常生活，但這將成為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

5 太赫茲技術(shù)

太赫茲（電磁波譜在0.1～10 THz的遠(yuǎn)紅外區(qū)域）光學(xué)是補(bǔ)全光譜的最后一塊短板。穩(wěn)定高能的太赫茲光源的實(shí)現(xiàn)，填補(bǔ)了微波和紅外光之間的光譜窗口。太赫茲頻帶有巨大發(fā)展前景的原因?yàn)椋?）許多分子在此頻帶處具有結(jié)構(gòu)吸收共振，使得太赫茲光譜成為研究物質(zhì)的獨(dú)特工具。2）太赫茲范圍是高頻電子產(chǎn)品運(yùn)行的極限頻率。3）太赫茲波的振蕩周期對(duì)應(yīng)于元素化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度、固體中的弱集體激發(fā)、聲子的弛豫時(shí)間和自由載流子的碰撞時(shí)間，因此太赫茲科學(xué)有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)直接影響我們生活的技術(shù)，如工業(yè)質(zhì)量控制、國家安全和環(huán)境研究及醫(yī)學(xué)診斷和治療。太赫茲技術(shù)是21世紀(jì)重大的新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。

2017年4月，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室公布了能夠在液氮溫度下靈敏探測(cè)太赫茲波黑體輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管探測(cè)器研究結(jié)果，首次直接驗(yàn)證了天線耦合的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可用于非相干太赫茲波的靈敏探測(cè)。對(duì)非相干太赫茲波的靈敏探測(cè)的實(shí)現(xiàn)表明，場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲探測(cè)器將能夠在太赫茲波人體安檢、無損檢測(cè)和大氣環(huán)境檢測(cè)等主、被動(dòng)成像與探測(cè)等應(yīng)用中發(fā)揮作用。研究人員公布了3個(gè)頻段的高靈敏度太赫茲探測(cè)器，探測(cè)器采用Al?GaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣材料和偶極天線設(shè)計(jì)，中心響應(yīng)頻率分別在0.34、0.65和0.90 THz，室溫下的噪聲等效功率約為30×10-12W/Hz1/2。在液氮溫度（-196℃）下的噪聲等效功率下降至1×10-12W/Hz1/2，使黑體太赫茲波的探測(cè)成為可能。場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)非相干太赫茲波的響應(yīng)能力表明，其探測(cè)機(jī)制屬于一種電子學(xué)的輪棘效應(yīng)（Ratchet effect），揭示了在場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)中由無規(guī)熱漲落產(chǎn)生定向太赫茲光電流響應(yīng)的豐富物理內(nèi)涵，為建立更加準(zhǔn)確的探測(cè)模型和高靈敏度探測(cè)器的開發(fā)指明了方向。

2017年10月，瑞典研究人員開發(fā)出首個(gè)具有機(jī)械柔性的石墨烯基太赫茲探測(cè)器。這項(xiàng)研究為柔性太赫茲電子設(shè)備鋪平了道路，有助于將太赫茲技術(shù)拓展用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和可穿戴技術(shù)。該探測(cè)器具有獨(dú)一無二的特征。在室溫條件下，它可檢測(cè)的頻率范圍為330～500 GHz。它是半透明且柔性的，可用于太赫茲領(lǐng)域的成像（太赫茲攝像頭）、分辨不同的物質(zhì)（傳感器）；可惠及衛(wèi)生保健，如使用太赫茲波檢查癌癥；還可用于車輛使用的圖像傳感器或無線通信系統(tǒng)。太赫茲輻射微波在可見光和微波頻譜帶之間，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)成像和化學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。美國和加拿大的研究人員在實(shí)驗(yàn)室中研究了一種新的設(shè)計(jì)，使基于芯片的太赫茲激光器輸出功率提高80%。研究人員的設(shè)計(jì)是一種新的變形，稱為量子級(jí)聯(lián)激光器，具有分布式反饋，使它具有最佳的太赫茲性能。

作為表現(xiàn)最好的基于芯片的太赫茲源，這個(gè)報(bào)道尚屬首次。研究人員發(fā)明的這種設(shè)備已被選定為美國國家航空航天局的銀河系/外太赫茲輻射源。美國國家航空航天局的此任務(wù)目的是確定星際介質(zhì)組成，或者探尋填充恒星間空間的物質(zhì)，使用太赫茲射線因?yàn)樗鼈兎浅＿m合于氧濃度的光譜測(cè)量。由于該任務(wù)將把裝有儀器的氣球部署到地球高層大氣中，所以太赫茲發(fā)射器需要輕量化。

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員正在探索使用紅外頻率梳來產(chǎn)生難以捉摸的太赫茲頻率的可能性。這些頻率——位于無線電波和紅外線之間的電磁波譜中——長期以來一直承諾改變通信和傳感，通過利用最近發(fā)現(xiàn)的激光狀態(tài)，SEAS研究人員在量子級(jí)聯(lián)激光器中發(fā)現(xiàn)了一種紅外頻率梳，為產(chǎn)生太赫茲頻率提供了一種新的方法。

為了實(shí)現(xiàn)高分辨率的太赫茲成像，研究人員使用了一種數(shù)字微型鏡面設(shè)備，在硅晶片上利用激光驅(qū)動(dòng)形成一個(gè)特定的模式。當(dāng)太赫茲光束通過晶片時(shí)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)所探測(cè)到的太赫茲光的圖案重建物體的圖像。研究人員闡述了太赫茲成像近場(chǎng)的方法，這種技術(shù)的空間分辨率可以達(dá)到約9 μm，并可與壓縮感知和自適應(yīng)成像算法相結(jié)合，可比傳統(tǒng)技術(shù)兼容的圖像采集技術(shù)快3倍。使新的方法變得可能的主要?jiǎng)?chuàng)新是數(shù)字微鏡器件（DMD），一種微型鏡子陣列，并且每個(gè)都被計(jì)算機(jī)控制。研究人員使用數(shù)字微鏡器件驅(qū)動(dòng)800 nm的光在硅晶片上，使晶片在800 nm光撞擊下讓硅對(duì)太赫茲光不透明。這意味著，當(dāng)太赫茲光束通過晶片時(shí)，它在晶片的另一側(cè)產(chǎn)生1個(gè)圖案化的太赫茲光束，然后可以與被成像的物體相互作用。由于數(shù)字微鏡器件所創(chuàng)建的圖案是已知的，計(jì)算機(jī)可以基于所檢測(cè)到的太赫茲光重建對(duì)象的圖像。由于近場(chǎng)太赫茲成像方法通常受到緩慢的捕獲速度的困擾，研究人員設(shè)計(jì)的方法與壓縮感知和自適應(yīng)采樣算法兼容，從而提高了成像速度。

6 X射線成像

由于X射線的波長比可見光短得多，利用它成像可以達(dá)到的理論分辨率要比可見光高幾個(gè)量級(jí)；另外，X射線具有很強(qiáng)的穿透性，可以對(duì)非透明的厚樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損成像，這在醫(yī)療診斷等無損檢測(cè)領(lǐng)域有很好應(yīng)用。X射線醫(yī)療影像技術(shù)及其他相關(guān)X射線成像技術(shù)迅速地發(fā)展起來，已成為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)中不可或缺的診斷工具。

隨著第3代同步輻射（SR）光源的廣泛使用，X射線光源的特性得到極大改善，這不僅使傳統(tǒng)的成像方法得到顯著改善，而且為新的X射線成像方法的誕生創(chuàng)造了條件。SR豐富了X射線成像的襯度機(jī)制，除傳統(tǒng)的吸收襯度外，還有相位襯度、化學(xué)襯度、元素襯度、磁二色襯度等，大幅拓展了X射線成像的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、考古、地球物理、納米科學(xué)和電子工業(yè)等。基于相位襯度的相襯成像方法主要有干涉法、衍射增強(qiáng)法、光柵微分法和同軸法，他們測(cè)定的信息分別為相位、相位一階微分、相位一階微分和相位二階微分（拉普拉斯變化）。對(duì)于弱吸收樣品，相襯成像方法能獲得比傳統(tǒng)吸收成像高很多的襯度，而且基于相襯成像方法的定量信息提取技術(shù)也得到廣泛的研究。第3代同步輻射的高亮度和高相干性，使得動(dòng)態(tài)研究成為可能。

另一個(gè)重要成像手段顯微斷層成像（μCT）也得到飛速的發(fā)展，三維空間分辨率可達(dá)微米乃至納米量級(jí)。SR-μCT由于同步輻射光源具有高單色性，能消除普通X光管CT的射線硬化效應(yīng)，更精確地定量重建出樣品的線性吸收系數(shù)；同時(shí)能在高分辨率下實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集等。第3代同步輻射的插入件輻射是目前SR-μCT的理想光源，單色X射線的使用還有助于消除贗像，同時(shí)減小樣品的輻射劑量，這對(duì)生物醫(yī)學(xué)樣品研究顯得尤為重要。SR-μCT現(xiàn)已成為中能或高能第3代同步輻射裝置上的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，近年來高時(shí)間分辨的SR-μCT也得到廣泛關(guān)注。X射線成像已成為同步輻射領(lǐng)域的一項(xiàng)主流技術(shù)，國際上目前建成了近50座同步輻射源，如美國的ALS、APS，日本Spring8，歐洲的ESRF、SLS和國內(nèi)北京光源、合肥同步輻射和上海光源等，它們都建有專門的用于X射線成像的線站。

未來一個(gè)很重要的目標(biāo)是發(fā)展“桌面”緊湊型X射線自由電子激光器，以滿足學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域?qū)射線自由電子激光器的巨大使用需求。這些方案的主要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)先進(jìn)的高功率激光器。這些激光器還可用于現(xiàn)有的X射線自由電子激光器和同步輻射光源，以改善縱向相干性或增強(qiáng)輸出功率。另一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)極窄帶寬的、在毫電子伏特范圍內(nèi)的、非常高重復(fù)頻率的X射線自由電子激光器光源。這種類型的X射線自由電子激光器光源方案，作為后衍射極限同步輻射源，可能成為一個(gè)有前途的研究方向。

7 光學(xué)通信

光纖是全球互聯(lián)網(wǎng)通信的支柱。目前，每天有超過300萬兆兆字節(jié)的互聯(lián)網(wǎng)流量通過光纖傳輸，到2021年，由于人類基本的交流意愿，總數(shù)據(jù)需求可能會(huì)增加3倍。要實(shí)現(xiàn)這一增長，就需要新技術(shù)來提高非晶態(tài)光纖的容量。其中一種技術(shù)是空間分割多路復(fù)用，在光纖的橫截面中使用不同的數(shù)據(jù)通道來增加容量。這可能涉及多核纖維、少模纖維，或兩者的結(jié)合。然而，要解決這種纖維的個(gè)別模式，直到最近還不可能采用緊湊的集成技術(shù)。

2017年報(bào)道了先進(jìn)的集成多路復(fù)用器，可用于空間分割多路復(fù)用，以選擇性地解決不同的核心和模式。在使用的制造技術(shù)中，超快激光刻寫，激光脈沖在玻璃芯片內(nèi)產(chǎn)生永久的折射指數(shù)變化。通過激光光束的聚焦將玻璃芯片轉(zhuǎn)化為三維波導(dǎo)。

接近制造的第三維，對(duì)于多路復(fù)用光纖的模式和核心是非常重要的。在硼鋁硅玻璃芯片中制造的設(shè)備包括一種緊湊模式多路復(fù)用器，它能處理12種模式的三模、四芯光纖，有20 dB的衰減率和1.8 dB的插入損耗，平均而言，超過了S＋C＋L波段（1460～1625 nm）。這些緊湊的集成設(shè)備代替了笨重的自由空間光學(xué)系統(tǒng)，通常用于激勵(lì)這種光纖密集核心的個(gè)別模式。

通過擴(kuò)展到更多的核心和更多的模式，多模、多核纖維有潛力使光纖的容量增加2個(gè)數(shù)量級(jí)。之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的其他設(shè)備包括多路復(fù)用器，可以在摻鉺光纖放大器泵浦帶上運(yùn)行。這些設(shè)備可以在長途網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模式放大。在追求實(shí)用的空間分復(fù)用技術(shù)以提高互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)速度的過程中，諸如此類的小型超快激光寫入技術(shù)提供了一項(xiàng)潛在的重要技術(shù)手段。

8 生物光子學(xué)

理解與活細(xì)胞與光的相互作用對(duì)生物成像、生物燃料、生物激光和生物光學(xué)微芯片的發(fā)展至關(guān)重要，并有助于生物光學(xué)、光流體和軟物質(zhì)物理的深刻理解。然而迄今為止，還沒有真正研究過生物介質(zhì)的非線性響應(yīng)。事實(shí)上，人們普遍認(rèn)為光不能深入到生物環(huán)境中，因?yàn)檫@些環(huán)境的強(qiáng)散射和吸收損耗以及弱的光學(xué)非線性。

最新的研究發(fā)現(xiàn)，在微生物中存在一種顯著的非線性反應(yīng)，包括強(qiáng)健的自我捕獲和通過一種生物懸于海洋細(xì)菌的生物懸架上的光束的傳輸。在同樣的研究中，也觀察到類似的非線性效應(yīng)，包括其他類型的活細(xì)胞和人類的紅細(xì)胞。通過故意改變藍(lán)細(xì)菌的宿主環(huán)境，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與光傳播相關(guān)的非線性動(dòng)力學(xué)的變化的戲劇性結(jié)果，值得注意的是，微生物在這一過程中仍然存活。

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞能夠在高功率水平下存活，并能生成波導(dǎo)，這在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)上都是很有趣的應(yīng)用。具有可調(diào)光非線性的生物軟質(zhì)系統(tǒng)、生物懸架的光通道及通過生物流體進(jìn)行非線性成像的可能性只有少數(shù)幾個(gè)例子。

9 激光微納3D打印

3D打印（three dimensional printing，3DP）是一種快速成型技術(shù)，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。學(xué)術(shù)上也稱為添加制造、增材制造或增量制造（additive manufacturing，AM）。

近年國內(nèi)外研究人員已開發(fā)出多種類型微納尺度3D打印工藝、打印材料（聚合物、金屬、陶瓷、生物材料、復(fù)合材料等）和裝備，并應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)。其中激光微納3D打印技術(shù)的發(fā)展引人注目，比較有代表性的技術(shù)有立體光固化成型（stereolithography）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering）和雙光子聚合（twophoton polymerization）。立體光固化成型和選擇性激光燒結(jié)皆為20世紀(jì)80年代發(fā)明的3D打印技術(shù)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，加工精度皆達(dá)到微米尺度，已經(jīng)接近光束的衍射極限。隨著激光器功率的增加，使得雙光子吸收這一三階非線性過程容易發(fā)生，雙光子聚合應(yīng)運(yùn)而生。得益于雙光子吸收的特點(diǎn)，雙光子聚合可以突破衍射極限，直接制備3D結(jié)構(gòu)。目前的特征尺寸優(yōu)于25 nm，小于激光波長的1/50，是唯一達(dá)到納米精度的激光3D打印技術(shù)。

目前3D打印主流材料主要為金屬、樹脂、塑料和陶瓷等。玻璃材料仍處于研究階段。日漸壯大的產(chǎn)品線是時(shí)下3D打印行業(yè)最好的標(biāo)志：其產(chǎn)品涵蓋了從人體器官到超級(jí)跑車等諸多“大件”。2017年7月一項(xiàng)研究表明，科學(xué)家將目光投向了另一個(gè)方向——“小”。研究人員利用3D打印技術(shù)，在一枚芯片上打印了許多不同的鏡頭，這些鏡頭的尺寸還趕不上人類頭發(fā)的直徑。研究人員認(rèn)為，這樣的微型攝像機(jī)將可以完美地應(yīng)用于微型及小型無人機(jī)上。

如何在幾秒鐘內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的3D打印物體，而不是幾小時(shí)或幾天?研究人員開發(fā)出一種使用全息圖激光器在液體樹脂罐內(nèi)幾秒鐘內(nèi)制造完整物體的技術(shù)，稱為立體3D打印，該工藝克服了傳統(tǒng)增材制造的許多限制，可以在幾秒鐘內(nèi)創(chuàng)建出3D打印物體。

10 計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)

計(jì)算光學(xué)成像（computational photograghy）是利用光學(xué)技術(shù)和圖像信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高性能的光學(xué)成像質(zhì)量的新學(xué)科，近年來該學(xué)科發(fā)展迅速，是公認(rèn)的新一代光學(xué)成像技術(shù)。當(dāng)前最有應(yīng)用前景的技術(shù)包括景深延拓（extention of depth of field，EDoF）技術(shù)、光圈景深聯(lián)合延拓（extension of iris and depth of field，EIDOF）技術(shù)、色彩高保真（Accucolor）技術(shù)、Magixoom技術(shù)和TyIQ：像質(zhì)提升技術(shù)。

EDoF技術(shù)是利用計(jì)算光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)景深延拓的一種數(shù)字光學(xué)成像技術(shù)。EDoF簡單說來就是用數(shù)字技術(shù)模擬光學(xué)的對(duì)焦系統(tǒng)，用特制的鏡頭通過特殊的相位掩模板對(duì)圖像進(jìn)行編碼產(chǎn)生編碼中間像，再通過解碼對(duì)中間像進(jìn)行解碼，最終得到清晰的大景深圖像。EDoF技術(shù)不同于傳統(tǒng)的光學(xué)成像，在光學(xué)鏡頭中應(yīng)用對(duì)稱波前編碼技術(shù)，通過信息處理的方法實(shí)現(xiàn)解碼，獲得大景深圖像。EIDOF技術(shù)是利用計(jì)算光學(xué)成像的原理實(shí)現(xiàn)光圈景深聯(lián)合延拓的光學(xué)成像技術(shù)。EIDOF以光學(xué)和信息技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)光信息進(jìn)行編碼，再用計(jì)算機(jī)技術(shù)解碼，使得光學(xué)系統(tǒng)的光圈和景深都得到擴(kuò)展，從而在增大光圈、提高光通量的前提下使景深得到擴(kuò)展，解決了大光圈和大景深同時(shí)實(shí)現(xiàn)的矛盾；Accu?color技術(shù)是一種光學(xué)成像顏色復(fù)原技術(shù)，具有顏色保真度高、顏色復(fù)原不依賴于場(chǎng)景、高亮顏色真實(shí)的優(yōu)勢(shì)，是替代自動(dòng)白平衡（AWB）的新一代顏色復(fù)原技術(shù)。Accucolor提供全新一代白平衡處理算法，具有更好的數(shù)碼成像顏色復(fù)原效果。Accucolor、Accushape（形狀保真）及Acculuma（亮度保真）在高品質(zhì)成像和顯示應(yīng)用中可以有廣泛的應(yīng)用；Magixoom技術(shù)是利用現(xiàn)代計(jì)算光學(xué)技術(shù)的原理，來實(shí)現(xiàn)具有超強(qiáng)的光學(xué)圖像信息獲取能力的、具有復(fù)眼結(jié)構(gòu)的新概念光學(xué)成像技術(shù)。Magixoom技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)看得寬、遠(yuǎn)、清的特點(diǎn)，即具備廣角和特寫兼?zhèn)?、?dòng)態(tài)細(xì)節(jié)長時(shí)間跟拍的新體驗(yàn)。和傳統(tǒng)單眼成像技術(shù)相比，Magixoom技術(shù)具有領(lǐng)先一代的原理、性能、性價(jià)比，是高性能光電成像技術(shù)的發(fā)展方向。TyIQ：像質(zhì)提升技術(shù)是基于對(duì)光學(xué)成像機(jī)理的理解和新的成像規(guī)律發(fā)現(xiàn)和利用以提升成像信噪比，并結(jié)合已有的技術(shù)成果和技術(shù)手段開發(fā)出的圖像像質(zhì)提升技術(shù)。其本質(zhì)是用軟件提升鏡頭分辨率的技術(shù)，使圖像更清晰通透。

2017年研究人員開發(fā)了一種基于Freund的強(qiáng)度—相關(guān)性技術(shù)的替代成像系統(tǒng)，它允許在散射介質(zhì)中使用記憶效應(yīng)的物體成像。具體來說，提出了一種新的成像設(shè)備“散光板顯微鏡”，在這種設(shè)備中，傳統(tǒng)的物鏡透鏡被一個(gè)簡單的散射板所取代。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法可以將一個(gè)本質(zhì)上沒有成本的散射表面變成一個(gè)高分辨率的顯微鏡物鏡。散光板顯微鏡有幾個(gè)獨(dú)特的特征，它非常薄和輕便，適合低成本的生產(chǎn)和可擴(kuò)展的設(shè)備尺寸；它還具有可變焦距和放大率，并且對(duì)任何共軛圖像平面都是自適應(yīng)的。它具有可變的數(shù)值孔徑（NA）和視野（FOV）以及靈活的可擴(kuò)展的工作距離。它與反射和傳輸模式的成像兼容，并且可避免相位干擾和畸變。相對(duì)較寬的FOV和可變DOF是該技術(shù)的專有特性，基于交叉修正的方法，加上一個(gè)參考點(diǎn)源，能夠?qū)?fù)雜的物體成像，很容易就能得到2.19 μm的分辨率?？梢哉J(rèn)為，在可見光波段的工作為X射線和紫外線波長的散射板成像提供了可能。

隨著信息處理能力的增強(qiáng)，能夠創(chuàng)造出體驗(yàn)更好、性能更高、成本更低的計(jì)算光學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品會(huì)越來越多，計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)未來會(huì)成為新一代的光學(xué)成像技術(shù)，并進(jìn)一步促進(jìn)光電成像行業(yè)的發(fā)展。

11 結(jié)論

光學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)還有很多，篇幅所限不能一一回顧?？梢灶A(yù)見的是：在不遠(yuǎn)的將來，現(xiàn)代光學(xué)將會(huì)滲透到人們生活的方方面面，微納光學(xué)將會(huì)產(chǎn)生芯片級(jí)的功能完備元器件，這將會(huì)促進(jìn)精細(xì)加工技術(shù)和人類穿戴設(shè)備的更新?lián)Q代；超快光學(xué)成像技術(shù)、超分辨技術(shù)、生物光子學(xué)、X射線成像等在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展，將極大促進(jìn)醫(yī)療診斷能力的飛速提升；超強(qiáng)激光所創(chuàng)造的得天獨(dú)厚的極強(qiáng)光場(chǎng)，也為未來醫(yī)治威脅人類生命的腫瘤疾病提供了可能的手段；量子計(jì)算機(jī)將超越目前最快的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度；太赫茲技術(shù)將在軍事以及安全探測(cè)領(lǐng)域時(shí)時(shí)刻刻顯示出自己的魅力；3D打印將顛覆性的改變?nèi)祟惖募庸ず椭圃旆绞?；新型光通信技術(shù)和器件的發(fā)展，將使人類直接溝通變得更加快捷和便利。?