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同濟(jì)復(fù)旦一聯(lián)合科研成果入選“2022中國光學(xué)十大進(jìn)展”

2023-04-22 04:46:46 來源：文匯報

昨晚（4月20日），“2022中國光學(xué)十大進(jìn)展”發(fā)布。同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山和程鑫彬團(tuán)隊聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系周磊團(tuán)隊的科研成果“光頻完美異常反射器”，入選“2022中國光學(xué)十大進(jìn)展”（應(yīng)用研究類）。

研究團(tuán)隊提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長新結(jié)構(gòu)，通過傳輸波和布洛赫波的高效耦合增強非局域能流調(diào)控能力，首次實現(xiàn)了效率優(yōu)于99%的光頻異常反射。該成果以“Perfect anomalous reflectors at optical frequencies”為題發(fā)表于期刊Science Advances。

(相關(guān)資料圖)

左圖：準(zhǔn)三維亞波長結(jié)構(gòu)右圖：完美異常反射原理

將光反射到預(yù)定的非鏡面反射方向是超表面的一項重要能力，也是許多實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，如超透鏡、光譜儀、激光雷達(dá)等。受限于非局域調(diào)控能力不足，光學(xué)超表面的異常反射效率低于80%，難以滿足激光領(lǐng)域效率優(yōu)于99%的需求，亟待突破異常偏折效率的科學(xué)認(rèn)識，創(chuàng)新調(diào)控方法，獲得光頻完美異常偏折器件。

鑒于此，研究團(tuán)隊從完美異常反射的物理要求出發(fā)，首先闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長新結(jié)構(gòu)（如上圖左圖），通過準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸波和布洛赫波的高效耦合（如上圖右圖），增強了多重散射并提高了非局域能流調(diào)控能力，在1550納米實現(xiàn)了國際上效率最高的、效率優(yōu)于99%的光頻異常反射。

該工作以光學(xué)超表面實用化的需求為導(dǎo)向，解決了“效率低”這個限制其走向應(yīng)用的“卡脖子”問題，研究成果有望推動新型波束掃描系統(tǒng)等儀器裝備的發(fā)展。

記者了解到，該成果的第一完成人何濤博士現(xiàn)為同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士后研究人員，其本科就讀于同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院光信息科學(xué)與工程專業(yè)，畢業(yè)后保送至同濟(jì)大學(xué)光學(xué)專業(yè)繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。何濤在本碩博期間，持續(xù)開展光頻完美異常反射器的基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，成為該校自主培養(yǎng)的優(yōu)秀青年科研人才。

相關(guān)鏈接

入選成果如下：

基礎(chǔ)研究類（10項）

1.微腔光梳驅(qū)動的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)

北京大學(xué)電子學(xué)院教授王興軍團(tuán)隊聯(lián)合加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校材料、電氣與計算機工程系教授約翰·E·鮑爾斯（John E.Bowers）團(tuán)隊合作，攻關(guān)解決微腔光梳簡易魯棒激發(fā)與長時間穩(wěn)定、面向光梳光源的硅基系統(tǒng)設(shè)計、硅基片上可重構(gòu)多維光譜整形技術(shù)等難題，在國際上首次實現(xiàn)了由克爾微腔光梳驅(qū)動的新型硅基光電子片上系統(tǒng)，有望直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5/6G信號處理、自動駕駛、光計算等領(lǐng)域，為下一代片上光電子信息系統(tǒng)提供了全新的研究范式和發(fā)展方向。

2.光學(xué)渦環(huán)的誕生

上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院教授詹其文帶領(lǐng)的納米光子學(xué)團(tuán)隊基于麥克斯韋方程組和光學(xué)保角變換，首次在理論上完整推導(dǎo)并在實驗上實現(xiàn)了優(yōu)美的光學(xué)渦環(huán)結(jié)構(gòu)。該研究工作為三維復(fù)雜時空光場的生成和表征提供了嶄新的思路，對環(huán)狀對稱電動力學(xué)、環(huán)狀對稱等離子物理、光學(xué)對稱和拓?fù)洹⒘孔游锢怼⑻祗w物理等理論研究，以及光學(xué)傳感、光操縱、光信息與能量傳遞等應(yīng)用研究都將具有重要且深遠(yuǎn)的意義。

3.用光3D打印納米晶體

清華大學(xué)精密儀器系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組首次提出了利用光生高能載流子調(diào)控納米材料的表面化學(xué)活性并實現(xiàn)化學(xué)鍵合，由此實現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點等功能納米粒子的三維激光裝配。這一技術(shù)具備真三維、高純度、高分辨率、異質(zhì)異構(gòu)集成的技術(shù)優(yōu)勢，開辟了功能納米器件制備工藝的新途徑，在片上光電器件集成、高性能近眼顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

4.新技術(shù)首次實現(xiàn)激光3D打印納米鐵電疇

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授張勇領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊發(fā)展了一種非互易激光極化鐵電疇技術(shù)：將飛秒脈沖激光聚焦于鈮酸鋰晶體中，在晶體內(nèi)部形成了一個有效電場，實現(xiàn)了三維納米鐵電疇的可控制備。加工精度達(dá)到了30納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破衍射極限，且可以實現(xiàn)鐵電疇結(jié)構(gòu)的修正與重構(gòu)。這一技術(shù)解決了傳統(tǒng)極化工藝僅限于在二維平面內(nèi)以微米精度加工鐵電疇結(jié)構(gòu)的難題，為三維集成光電器件的發(fā)展提供了新的技術(shù)支撐。

5.高純度超集成手性光源領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）宋清海教授團(tuán)隊基于連續(xù)域中束縛態(tài)自身的物理特性，實現(xiàn)了高純度、高Q值與高方向性的手性熒光到激光的出射。在無需自旋注入的情況下，即可實現(xiàn)控制自發(fā)輻射和激光的光譜、遠(yuǎn)場以及自旋角動量。這種方法對改善當(dāng)前手性光源的設(shè)計，并促進(jìn)其在光子系統(tǒng)與量子系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。

6.羲和激光首輪實驗獲得60MeV質(zhì)子束

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室張輝副研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊依托于上海超強超短激光實驗裝置(羲和激光，SULF) ，在首輪磨合實驗中利用SULF-10PW激光轟擊微米金屬靶，在靶后法線鞘層加速機制下獲得了截止能量達(dá)62.5MeV的質(zhì)子束，該結(jié)果達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，進(jìn)入國際前列。未來將通過進(jìn)一步優(yōu)化，獲得百MeV級的高能質(zhì)子束，切實推動激光質(zhì)子源在聚變能源、腫瘤治療等重要領(lǐng)域的應(yīng)用。

7.高效、高重頻極紫外超快相干光源

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院劉峰副研究員、陳民教授、李博原副研究員課題組通過引入圓偏振預(yù)脈沖，成功實現(xiàn)對微米尺度預(yù)等離子體的主動調(diào)控，構(gòu)建出合適的縱向密度分布，解決了高次諧波產(chǎn)生受限于激光對比度的難題，實驗驗證了產(chǎn)生高重頻、高亮度極紫外超快輻射源的新方案。

8.稀土離子f-f躍遷發(fā)光壽命被壓縮至納秒級

陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院張正龍教授、鄭海榮教授團(tuán)隊，依托自主搭建的高分辨原位光譜系統(tǒng)，在納米光學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。利用等離激元傾斜納米光腔，將稀土離子f-f 躍遷發(fā)光壽命壓縮至50 納秒以下，同時獲得1000余倍的量子產(chǎn)率增強。該成果被審稿人評價為稀土發(fā)光領(lǐng)域“里程碑”式的工作，對拓展稀土發(fā)光應(yīng)用優(yōu)勢，推動量子通訊單光子源、納米激光器的發(fā)展具有重要意義。

9.激光干涉儀的量子超越

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院及李政道研究所張衛(wèi)平教授團(tuán)隊與合作者，利用其發(fā)展的量子關(guān)聯(lián)干涉技術(shù)與激光干涉儀巧妙結(jié)合，實現(xiàn)了一種超越傳統(tǒng)激光干涉儀的新型量子精密測量技術(shù)。新方法融合經(jīng)典-量子優(yōu)勢于一體，原理上可以拓展到LIGO引力波探測器等大型精密測量儀器中，實現(xiàn)對傳統(tǒng)干涉技術(shù)的升級，向開拓真正有應(yīng)用價值的量子技術(shù)邁出了重要的一步。

10.突破熒光范圍的激光輻射

山東大學(xué)物理學(xué)院于浩海教授、張懷金教授團(tuán)隊和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院陳延峰教授團(tuán)隊協(xié)同攻關(guān)，在激光物理領(lǐng)域取得突破，首次實現(xiàn)基于多聲子耦合的激光輻射，在遠(yuǎn)超熒光光譜的范圍獲得了寬波段、可調(diào)諧激光輸出。研究成果拓寬了激光增益范圍，闡明了激光晶體中的關(guān)鍵功能基元和序構(gòu)關(guān)系，對于固體激光技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

應(yīng)用研究類（10項）

1.集成化成像芯片實現(xiàn)像差矯正三維攝影

清華大學(xué)電子工程系副教授方璐和中國工程院院士、清華大學(xué)教授戴瓊海團(tuán)隊提出了非相干光下的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)新架構(gòu)，解耦信號采集與像差矯正，首次實現(xiàn)了高速大范圍分塊像差去除。研制了集成化的元成像芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)像差矯正的大視場高分辨率高速三維成像，將傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)的有效視場直徑從40角秒提升至了1000角秒，可廣泛用于天文觀測、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

2.時空域精細(xì)操控半導(dǎo)體納米晶能帶結(jié)構(gòu)

浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院邱建榮教授團(tuán)隊與之江實驗室光電智能計算研究中心研究專家譚德志團(tuán)隊合作，揭示了飛秒激光誘導(dǎo)空間選擇性介觀尺度分相和離子交換新規(guī)律，實現(xiàn)了對玻璃微區(qū)元素分布的精細(xì)調(diào)控，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術(shù)，構(gòu)筑了三維發(fā)光寬波段連續(xù)可調(diào)諧納米晶結(jié)構(gòu)，首次提出并展示這種三維微納結(jié)構(gòu)在超大容量超長壽命信息存儲、高穩(wěn)定Micro-LED列陣和動態(tài)立體彩色全息顯示等的前沿應(yīng)用。

3.基于超構(gòu)透鏡集成的平面廣角相機

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授李濤團(tuán)隊研發(fā)出一種基于超構(gòu)透鏡陣列的平面廣角相機，僅用一微米厚的納米結(jié)構(gòu)就實現(xiàn)了超過120°視角高質(zhì)量的廣角成像功能。這一全新原理的設(shè)計原理成功突破傳統(tǒng)商用魚眼鏡頭在體積和重量上限制，展示了超構(gòu)透鏡設(shè)計在顛覆性成像技術(shù)中巨大的應(yīng)用潛力。

4.光電集成輕微型“復(fù)眼相機”，解決商用探測器不兼容問題

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授張永來領(lǐng)銜的合作團(tuán)隊通過飛秒激光微加工技術(shù)，制造具有對數(shù)輪廓小眼的三維仿生復(fù)眼，突破了三維復(fù)眼非平面成像和商用微型CCD/CMOS探測器失配難題。研制了質(zhì)量僅為230mg的光電集成微型復(fù)眼相機，借助多目視覺原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法，實現(xiàn)了對微觀目標(biāo)運動軌跡的三維重構(gòu)。該成果在醫(yī)療內(nèi)窺成像和微型機器人視覺等前沿領(lǐng)域具有重要意義。

5.光纖量子密鑰分發(fā)新紀(jì)錄——無中繼安全傳輸超830公里

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系教授、中國科學(xué)院院士郭光燦和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系教授韓正甫團(tuán)隊通過解決極弱光雙場制備和低噪聲快速相位補償難題，突破信噪比限制，創(chuàng)造830公里無中繼光纖量子通信世界紀(jì)錄。相比于國內(nèi)外其他團(tuán)隊的工作，該成果不僅將無中繼傳輸距離提升了200多公里，而且將成碼率提升了50～1000倍，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子通信邁出了重要一步。

6.光頻完美異常反射器

同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授和程鑫彬教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系周磊教授，提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長新結(jié)構(gòu)，通過傳輸波和布洛赫波的高效耦合增強非局域能流調(diào)控能力，首次實現(xiàn)了效率優(yōu)于99%的光頻異常反射。研究成果有望推動新型波束掃描系統(tǒng)等儀器裝備的發(fā)展。

7.超長壽命的鈣鈦礦LED

浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院長聘教授狄大衛(wèi)和趙保丹研究員團(tuán)隊利用雙極性分子穩(wěn)定劑抑制離子遷移, 首次實現(xiàn)了滿足實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的超長壽命鈣鈦礦LED。在等同于高亮度OLED的光功率下，這些近紅外LED的壽命為32675小時（3.7 年）；在更低的輻亮度下，其壽命預(yù)期長達(dá) 270 年。這些創(chuàng)紀(jì)錄的器件在 5 mA/cm2 的恒定電流下持續(xù)工作 5 個月，輻亮度無明顯衰減。

8.世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復(fù)用相干光調(diào)制器

中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）蔡鑫倫教授課題組實現(xiàn)了世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復(fù)用相干光調(diào)制器，該器件具有CMOS兼容驅(qū)動的半波電壓，110GHz的調(diào)制帶寬，這是目前世界上最高性能的超低電壓和超大帶寬的電光調(diào)制器芯片。利用這一芯片，研究團(tuán)隊演示了目前單載波相干傳輸?shù)淖罡邇羲俾省?.96Tb/s。該項研究攻克了在下一代超高速、低功耗的相干光傳輸系統(tǒng)不可或缺的電光轉(zhuǎn)換器件。鈮酸鋰薄膜材料及其光子集成技術(shù)研究為實現(xiàn)我國光通信產(chǎn)業(yè)鏈自主可控提供了有力保障。

9.首次發(fā)現(xiàn)光學(xué)微腔中的界面回音壁模式

北京大學(xué)物理學(xué)院肖云峰教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所陳幼玲副研究員合作，首次發(fā)現(xiàn)了光學(xué)微腔中的界面回音壁模式。研究人員在微流集成的微泡腔中，將光學(xué)回音壁模式的電磁場峰值調(diào)控至傳感表面，從物理上提高了傳感器的光學(xué)響應(yīng)強度，成功實現(xiàn)了具有單分子響應(yīng)的微流傳感器件，在高靈敏度微量檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

10.在光編碼液晶超結(jié)構(gòu)應(yīng)用取得突破性研究進(jìn)展

華東理工大學(xué)教授、化學(xué)與分子工程學(xué)院院長朱為宏、物理學(xué)院教授鄭致剛和諾貝爾化學(xué)獎得主、“費林加諾貝爾獎科學(xué)家聯(lián)合研究中心”教授伯納德·L·費林加（Bernard Lucas Feringa）合作，圍繞動態(tài)可控手性液晶光學(xué)微結(jié)構(gòu)，從材料設(shè)計、制備和微結(jié)構(gòu)的外場控制入手，解決傳統(tǒng)液晶體系光效率低的問題，賦能液晶微結(jié)構(gòu)的光控寬動態(tài)域，發(fā)展可逆、可擦、漸變、結(jié)構(gòu)疊加與嵌入的多重防偽新技術(shù)，為解決我國在高端防偽技術(shù)領(lǐng)域面臨的材料瓶頸提供了可供借鑒的技術(shù)方案。

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