量子密钥分发、光子芯片、智能激光器、全色激光显示等20项重大光学进展入选。

 

中国激光《返朴》专稿

 

今天（3月20日），中国激光杂志社发布“2019年度中国光学十大进展”（第十五届）。量子密钥分发、光子芯片、智能激光器、全色激光显示等20项重大光学进展入选（基础研究类与应用研究类各10项）。由于成果本身突出的学术水平，以及评审专家的严格公正，这一奖项，已经在学术界被广泛认可。

 

中国光学十大进展评选由中国激光杂志社发起，经过首轮推荐、初评、终评三个环节，最终20项优秀的光学成果从110项研究进展中脱颖而出，入选2019年度中国光学十大进展（基础研究类与应用研究类各10项）。评选委员会由48位光学与光子学领域的专家组成，综合考虑候选成果的学术价值和应用价值，从候选成果中初评30项进入终评，并以无记名投票方式产生“2019年度中国光学十大进展”。

 

2019年度中国光学十大进展分别为（排名不分先后，点击小标题可跳转至详细报道）：

 

基础研究类

 

1 微腔表面对称性破缺诱导非线性光学

 

 

北京大学肖云峰教授和龚旗煌院士的研究团队与其合作者，利用超高品质因子回音壁光学微腔极大增强光与物质相互作用的优势，在二氧化硅微球腔中获得了显著的二次谐波和二次和频信号。为了有效发挥微腔“双共振”增强效应，研究人员发展了一种动态相位匹配技术，利用光学微腔中热效应和光学克尔效应的相位调制，高效地实现了基波和谐波信号同时与微腔模式共振。实验上获得的二次谐波转换效率高达0.049% /W，相比传统表面非线性光学的结果增强了14个数量级。

 

通过进一步对基波偏振和二次谐波模式场分布的测量分析，成功提取得到只有表面对称性破缺诱导的非线性信号，排除了体相电四极响应的干扰。这种表面对称性破缺诱导的非线性信号还可以作为一种超高灵敏度的无标记“探针”，用来检测和研究材料表面分子的结构、排布、吸附等物理、化学性质。

 

2 近场光学旋涡中的光学斯格明子结构

 

 

深圳大学杜路平、袁小聪教授与其合作者发现，在光学近场条件下，光的自旋-轨道角动量之间的耦合会形成一种与磁斯格明子相同的光学自旋分布。对于隐失波条件下的光学旋涡光场，其自旋矢量分布呈现一种Neel类型的斯格明子的态，即自旋矢量沿着空间径向方向从向上（或向下）的态逐渐转变为向下（或向上），这取决于光学旋涡的旋转方向；而对于紧聚焦条件下的光学旋涡光场，其自旋矢量分布呈现一种Bloch类型的斯格明子（自旋矢量沿着空间角向方向变化）。

 

这是在国际上首次发现并报道了近场光学旋涡中由光的自旋-轨道耦合形成的光学斯格明子结构，为微纳尺度的光场调控提供了全新的思路。研究发现，在这种光学斯格明子内部，其偏振态的变化非常剧烈。对于可见光波段的近场光学旋涡光场，其偏振的精细结构半高宽可以达到10 nm以下（<λ/60），远远突破光学的衍射极限（<λ/2）。

 

3 首个三维光学拓扑绝缘体

 

 

浙江大学陈红胜教授课题组与其合作者，成功研制了首个三维光学拓扑绝缘体，将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，有望大幅度提高光子在波导中的传输效率。

 

在设计三维光学拓扑绝缘体时，该团队提出并设计了具有很强电磁双各向异性特性的开口谐振器结构电磁材料，该电磁单元结构由于Z方向上的空间反演对称性破坏，引入了电磁双各向异性（bi-anisotropic）耦合，起到了类似Kane-Mele 自旋轨道耦合（SOC）作用。该团队利用先进的电磁波三维扫描成像技术，对三维拓扑结构内部及畴壁面电磁波成像，并提取电磁波模式的色散特征。利用上述手段，成功地在实验中观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态。团队通过对三维弯折面上拓扑表面态的成像，实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型畴壁拐角。这一现象表明，对表面电磁波来说，这些拐角就像被“隐形”一样，而能够绕过拐角实现高效传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

 

4 高效稳定非铅卤化物双钙钛矿暖白光

 

 

华中科技大学武汉国家光电研究中心的唐江教授团队与其合作者，创新性地引入Na+合金化并掺杂痕量Bi3+制备出Cs2(NaAg)InCl6：Bi3+，通过组分调控和工艺优化，获得了最高发光效率达86%的单基质暖白光荧光粉，突破了之前单基质白光荧光粉半个世纪多的效率瓶颈。由于其全无机特性和强的激子结合能，此白光荧光粉还展现出优异的稳定性：未封装的条件下，Cs2(NaAg)InCl6:Bi3+荧光粉在热台上150 ℃加热1000 h，或者被紫外LED激发以5000 Cd/m2发光强度工作1000 h，其发光效率和白光特性几乎没有衰退。该研究为非铅钙钛矿发光材料的研究指明了一条道路，有希望在绿色照明方面实现产业化应用。

 

5 兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管

 

 

河南大学申怀彬、李林松、杜祖亮教授等人与其合作者，从发光层量子点的设计入手，基于“低温成核、高温长壳”的技术，合成了荧光量子产率高、稳定性强的硒阴离子贯穿的CdSe/ZnSe新型核壳结构量子点。基于这种新结构体系，研究团队获得的红绿蓝三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%。该工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝三基色QLED器件，有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。

 

6 双层三碘化铬中由层间反铁磁诱导的非互易二次谐波

 

 

复旦大学吴施伟课题组与其合作者，将光学二次谐波的方法引入双层三碘化铬（CrI3）反铁磁状态的表征，成功观测到了双层体系对二次谐波的巨大响应。双层三碘化铬在反铁磁态下，其磁结构不但打破了时间反演对称性，也同时打破了空间反演对称性，由此产生强烈的非互易二次谐波响应。研究发现双层CrI3在低温下的堆叠结构是单斜（monoclinic）晶格，而不是体材料的菱面（rhombohedral）晶格，为研究二维材料中堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的关联提供了关键性的实验证据。

 

7 首次利用台式化高重频飞秒激光器驱动千特斯拉强磁场自组织放大

 

 

中科院上海光机所刘建胜、田野课题组，利用一束飞秒预脉冲激光产生膨胀的高温稠密等离子体半球，然后再利用一束飞秒强激光驱动强流电子束诱导等离子体韦伯不稳定性的增长。实验中，通过采用时间分辨的阴影成像和法拉第磁光偏振旋转测量，观测到了周期分布的电子成丝结构以及强度高达千特斯拉的强磁场阵列及其演化过程，峰值磁场强度达2 kT，持续时间2 ps。研究揭示了强激光驱动的来自内部稠密等离子体区域的高能电子发射诱导了电子韦伯不稳定性的非线性增长，产生了周期结构的电子成丝以及磁场的放大。本项研究结果开辟了利用小型化激光装置研究高能量密度物理及实验天体物理的新途径，可以更深入地研究和理解磁场的产生、放大、磁重联及天体现象的本质。

 

8 关键量子信息器件——“三高”量子纠缠光源研究

 

 

中山大学王雪华教授团队与其合作者，提出一种能克服光子侧向和背向泄漏、并能极大提高光子前向出射的新型微纳“射灯”结构，其单光子理论收集效率在较大的带宽中超过90%、最高可达95%，在国际上率先制备出同时具备“三高”——高亮度、高全同性、高纠缠保真度的量子纠缠光子对源。

 

9 压缩超快时间光谱成像术创造超快成像新纪录

 

 

西安交通大学陈烽教授团队与其合作者，提出了一种基于时频变换思想的“压缩超快时间光谱成像术（CUST）”。CUST通过对飞秒激光进行数字编码，并在时间和光谱维度上进行压缩和解压缩，从而能够同时实现高速度、高帧数以及高光谱分辨率。CUST的超高帧率可以达到3.85 THz （1 THz=1012 Hz），和亚纳米级超高光谱分辨率。这一研究成果使得长时间、宽光谱地记录飞秒影像成为可能，将推动更多涉及超快过程的极端物理、化学、材料和生物学的研究。

 

10 光的波粒二象性的可控量子叠加

 

 

南京大学马小松教授和祝世宁院士课题组利用多光子纠缠态的非局域特性，构建了远程的量子逻辑门。在该实验中，他们使用了另外一对纠缠光子作为控制单元，利用纠缠光子对去调控在波动性与粒子性之间切换的实验主体光子。为了实现严格的非局域量子控制，控制单元需要远离实验主体单元，也就是要满足“爱因斯坦局域性”条件。通过审慎地规划设备位置和校时，他们实现了相关事件在相对论意义上的隔离。实验成果证明了：光既能以粒子态或者波动态存在，也能以二者的量子叠加态存在。而且，这一量子叠加的性质是可控的。该项工作为未来的量子技术提供了新的控制手段。

 

应用研究类

 

1 可密集集成和任意路由的模分复用光子芯片

 

 

哈尔滨工业大学（深圳）徐科副教授、宋清海教授与其合作者，利用一种离散化的波导超结构，在亚波长尺度对波导局部介电常数进行任意地优化，通过算法设计出具有特殊光场调控功能的亚波长结构。研究人员针对片上模分复用信号任意路由的需求，设计并制备了模式（解）复用器、多模弯曲波导、波导交叉等关键器件，器件能同时支持TE0, TE1和TE2模式，尺寸仅为数微米，比传统器件缩小了一个数量级，且与标准硅光流片工艺完全兼容。基于上述研究结果，研究人员进一步设计了任意布线的光子回路来验证高速模分复用信号的片上传输和互连性能。实验结果表明，对于两组任意设计的模分复用光子回路，均实现了三模式复用的高速信号（3×112 Gbit/s）的传输。对于PAM-4和DMT高阶调制格式，误码率均达到了前向纠错阈值（FEC）以下。这为片上多模光学系统的大规模集成解决了模间串扰和损耗问题。

 

2 基于类人算法（HLA）的智能锁模激光器

 

 

上海交通大学义理林教授课题组提出了基于类人算法（HLA）的智能锁模激光器。其中，ADC负责采集激光器输出波形，相当于人为调节锁模过程中的人眼识别波形；DAC负责输出直流信号调节EPC，相当于人为调节锁模过程中的手动调节偏振态；FPGA负责对采集到的波形进行分析和鉴别同时运行HLA，相当于人为调节锁模过程中大脑判断是否锁模并控制手动调节。在最快的测试中，开机自动锁模仅需0.22 s，失锁恢复则仅需14.8 ms，均大幅刷新了之前的记录，具有重要的产业应用价值。

 

3 基于多角度干涉的三维多色活细胞超分辨光学显微镜

 

 

浙江大学刘旭教授和匡翠方教授课题组，在超时空分辨活细胞成像系统和方法研制方面取得突破，开发出了新型的光学超分辨成像技术——多角度干涉显微镜（MAIM）。研究人员从照明光场调制和频域调制角度入手，巧妙地将多角度全内反射照明引入到结构光照明显微技术中，搭建了一套基于非共轴干涉系统的新型光学成像系统。该方法结合了结构光照明显微技术和多角度全内反射照明显微技术，实现了横向分辨率~100 nm，轴向分辨率~40 nm的三维超分辨成像。在成像速度提升方面，课题组通过利用变角度倏失场照明下的结构光成像，结合计算成像模型，使得三维成像速度大大提升，可对活细胞表面结构进行快速、长时程、多色和三维超分辨成像研究。

 

4 无磁光场非互易放大

 

 

华东理工大学龚尚庆教授、钮月萍教授团队与其合作者，将原子热运动导致的多普勒效应和拉曼增益结合，提出了可在自由空间实现光波波段非互易放大的原创性方案，并在实验上进行了验证。常温铷原子气体中完成的相关实验，获得了26 dB的前向放大和30 dB的反向隔离。当信号光和控制光同向传输时，其感受到的多普勒效应和控制光场相同，此时信号光可以无吸收通过。在泵浦光场的作用下，增益通道打开，信号光被急剧放大。反之，信号光被强烈吸收。这一方案为常温工作、易于调控、小型化可集成的无磁非互易放大器研制提供了新的途径。

 

5 大带宽、低损耗、高效率、高集成度的硅基电光调制器

 

 

中山大学蔡鑫伦、余思远课题组与其合作者，通过在硅基芯片上混合集成具有优越线性电光效应的铌酸锂薄膜材料，充分发挥硅和铌酸锂这两种重要光子学材料各自的优势，实现了创新的“硅与铌酸锂混合集成电光调制器”。

 

该器件实现了远超传统纯硅电光调制器的调制带宽 (> 70 GHz，达到现有测试系统极限）、创纪录的低插入损耗 (< 2.5 dB) 、高于传统铌酸锂调制器4倍以上的调制效率 (2.2 V∙cm) ，并具有高线性度、高集成度以及低成本等优异特性，其加工方法可以与标准CMOS工艺后端兼容。研究人员还进一步演示了112 Gbps超高数据调制速率以及170 fJ/bit的低功耗。所有材料与加工工艺完全依靠国内自主条件，具备完全的自主知识产权。

 

6 采用反向外延技术实现晶圆级亚50 nm周期的多层膜光栅器件制备

 

 

中科院上海微系统与信息技术研究所欧欣教授与同济大学合作者，提出了一种制备大面积超高线密度光栅的新方法，它基于自下而上的自组装原理，利用低能离子轰击在半导体材料（Ge）表面激发空穴的类外延生长，形成高度规则的纳米沟槽阵列，沟槽周期达到亚50 nm水平，形状类似对称的闪耀光栅结构，光栅线密度相当于2万线/毫米。在此基础上，将纳米光栅与多层膜相结合，形成三维多层膜光栅结构，实验角色散性能比现有成熟技术制备的最高线密度光栅（5000线/毫米）高6倍。该技术已经获得三项中国发明专利和一项德国专利的授权，具有完全自主知识产权。

 

7 高性能蓝光单模微纳激光

 

 

中科院上海光机所张龙、董红星研究员领衔的微结构光物理研究团队与其合作者，发现一种新型全无机钙钛矿RbPbBr3材料。团队结合大量实验结果和理论分析，深度解析了新型全无机钙钛矿RbPbBr3的2种相结构及其对应的XRD衍射图谱和能带结构，系统研究RbPbBr3钙钛矿-非钙钛矿相转变发生的条件以进一步解释其内涵的化学机制，在高功率400 nm飞秒激光作用下，在单个微球内可实现高品质蓝光单模激光输出，其激光品质因子Q高达~2100。与其他材料相比，RbPbBr3微球内的单模激光表现出低阈值、窄带宽和高品质特性。研究结果对钙钛矿材料相稳定、高性能微纳激光器件及多色激光器等的研究具有重要意义。

 

8 突破线性界限的光纤量子密钥分发系统

 

 

中国科学技术大学郭光灿院士和韩正甫教授领导的量子密码研究组首先在理论上提出了免相位后选择的双场量子密钥分发协议，有效降低双场类协议的执行复杂度。研究人员突破了异地孪生光场制备和长距离信道相位补偿两项核心技术，使得该协议在300 km常规商用光纤信道中，率先完成了超越线性界限的高密钥生成率实验，为实现无中继长距离城际量子密钥分发网络迈出了关键的一步。

 

9 动态平面光子元件

 

 

南京大学胡伟教授、陆延青教授团队与其合作者，挖掘利用胆甾相液晶（CLC）内禀的外场激发响应特性，混合具有相反手性的光敏分子机器和手性剂，获得可光控手性翻转的自组装螺旋超结构。进一步利用液晶光配向技术诱导其图案化组装，获得了光束偏折器、微透镜、艾里光/涡旋光产生器等系列平面光子元件。经由特定波长光照激发，上述元件可在绿光至通讯波段超过1000 nm的波长范围内双向连续调谐。与此同时，手性翻转会伴随着几何相位的共轭反向，带来元件功能（如光束偏折方向、聚焦/发散状态、涡旋光旋向）的光控可逆变换。该研究为动态平面光子元件的设计与制备提供了一种崭新的实用方案。

 

10 基于有机打印微纳激光阵列的全色激光显示

 

 

中科院化学所赵永生、闫永丽研究员及其合作者，充分发挥有机材料在溶液加工方面的优势，利用喷墨打印的方式精准构建了红绿蓝微纳激光阵列作为显示面板。显示面板上每个像素点都由三个独立的红绿蓝激光器组成，远场图像表明，这样制备的像素点具有良好的混色效果，且色域覆盖范围超过标准RGB空间的45%。在一块3×5阵列面板上实现了基于三原色的数字、字符显示，通过颜色混合可以得到其他的各种颜色。选用较大面积的阵列面板能够显示更加复杂的图案。调控面板上单个像素点的激光出射还实现了图案的动态显示，用于信息滚动播出，视频播放等。研究首次实现了主动发光平板激光显示，为发展高性能、易加工的平板激光显示及照明器件提供了一种可行的解决方案。

 

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