重磅！“2022中国光学十大进展”发布
2023/4/21 12:01:52 科学网
4月20日晚，中国激光杂志社重磅发布“2022中国光学十大进展”。
经过评审委员会多轮遴选，“微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统”等10项前沿进展入选“2022中国光学十大进展”(基础研究类)；“集成化成像芯片实现像差矫正三维摄影”等10项进展入选“2022中国光学十大进展”(应用研究类)。此外，效率首次突破量子不可克隆极限的微波——光波相干转换、实现高维量子计算芯片等20项成果分别荣获“2022中国光学十大进展”提名奖(基础研究类)和“2022中国光学十大进展”提名奖(应用研究类)。
“中国光学十大进展”评选活动由中国激光杂志社发起，至今已成功举办17届，旨在促进中国优秀光学研究成果的广泛传播，推动中国光学事业的发展。凭借高学术水平的候选成果，以及严格公正的评审机制，这一奖项备受业界认可，具有高度的公信力和影响力。
基础研究类(10项)
1.微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统
北京大学王兴军团队联合加州大学圣塔巴巴拉分校John E. Bowers团队，攻关解决微腔光梳简易鲁棒激发与长时间稳定、面向光梳光源的硅基系统设计、硅基片上可重构多维光谱整形技术等难题，在国际上首次实现了由克尔微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上系统，有望直接应用于数据中心、5/6G信号处理、自动驾驶、光计算等领域，为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。
2.光学涡环的诞生
上海理工大学詹其文带领的纳米光子学团队基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，首次在理论上完整推导并在实验上实现了优美的光学涡环结构。该研究工作为三维复杂时空光场的生成和表征提供了崭新的思路，对环状对称电动力学、环状对称等离子物理、光学对称和拓扑、量子物理、天体物理等理论研究，以及光学传感、光操纵、光信息与能量传递等应用研究都将具有重要且深远的意义。
3.用光3D打印纳米晶体
清华大学精密仪器系孙洪波、林琳涵课题组首次提出了利用光生高能载流子调控纳米材料的表面化学活性并实现化学键合，由此实现了半导体量子点等功能纳米粒子的三维激光装配。这一技术具备真三维、高纯度、高分辨率、异质异构集成的技术优势，开辟了功能纳米器件制备工艺的新途径，在片上光电器件集成、高性能近眼显示等领域具有广泛的应用前景。
4.新技术首次实现激光3D打印纳米铁电畴
南京大学张勇领衔的研究团队发展了一种非互易激光极化铁电畴技术：将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体中，在晶体内部形成了一个有效电场，实现了三维纳米铁电畴的可控制备。加工精度达到了30纳米，远远突破衍射极限，且可以实现铁电畴结构的修正与重构。这一技术解决了传统极化工艺仅限于在二维平面内以微米精度加工铁电畴结构的难题，为三维集成光电器件的发展提供了新的技术支撑。
5.高纯度超集成手性光源领域取得重要研究进展
哈尔滨工业大学(深圳)宋清海团队基于连续域中束缚态自身的物理特性，实现了高纯度、高Q值与高方向性的手性荧光到激光的出射。在无需自旋注入的情况下，即可实现控制自发辐射和激光的光谱、远场以及自旋角动量。这种方法对改善当前手性光源的设计，并促进其在光子系统与量子系统中的应用具有重要意义。
6.羲和激光首轮实验获得60 MeV质子束
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室激光质子加速课题组依托于上海超强超短激光实验装置(羲和激光，SULF)，在首轮磨合实验中利用SULF-10PW激光轰击微米金属靶，在靶后法线鞘层加速机制下获得了截止能量达62.5MeV的质子束，该结果达到国内领先水平，进入国际前列。未来将通过进一步优化，获得百MeV级的高能质子束，切实推动激光质子源在聚变能源、肿瘤治疗等重要领域的应用。
7.高效、高重频极紫外超快相干光源
上海交通大学刘峰、陈民和李博原课题组通过引入圆偏振预脉冲，成功实现对微米尺度预等离子体的主动调控，构建出合适的纵向密度分布，解决了高次谐波产生受限于激光对比度的难题，实验验证了产生高重频、高亮度极紫外超快辐射源的新方案。
8.稀土离子f-f跃迁发光寿命被压缩至纳秒级
陕西师范大学物理学与信息技术学院张正龙、郑海荣团队，依托自主搭建的高分辨原位光谱系统，在纳米光学领域取得了突破性进展。利用等离激元倾斜纳米光腔，将稀土离子f-f跃迁发光寿命压缩至50纳秒以下，同时获得1000余倍的量子产率增强。该成果被审稿人评价为稀土发光领域“里程碑”式的工作，对拓展稀土发光应用优势，推动量子通讯单光子源、纳米激光器的发展具有重要意义。
9.激光干涉仪的量子超越
上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平团队与合作者，利用其发展的量子关联干涉技术与激光干涉仪巧妙结合，实现了一种超越传统激光干涉仪的新型量子精密测量技术。新方法融合经典-量子优势于一体，原理上可以拓展到LIGO引力波探测器等大型精密测量仪器中，实现对传统干涉技术的升级，向开拓真正有应用价值的量子技术迈出了重要的一步。
10.突破荧光范围的激光辐射
山东大学于浩海、张怀金团队和南京大学陈延峰团队协同攻关，在激光物理领域取得突破，首次实现基于多声子耦合的激光辐射，在远超荧光光谱的范围获得了宽波段、可调谐激光输出。研究成果拓宽了激光增益范围，阐明了激光晶体中的关键功能基元和序构关系，对于固体激光技术的发展具有重要意义。
应用研究类(10项)
1.集成化成像芯片实现像差矫正三维摄影
清华大学成像与智能技术实验室方璐、戴琼海团队提出了非相干光下的数字自适应光学新架构，解耦信号采集与像差矫正，首次实现了高速大范围分块像差去除。研制了集成化的元成像芯片，能够实现像差矫正的大视场高分辨率高速三维成像，将传统自适应光学的有效视场直径从40角秒提升至了1000角秒，可广泛用于天文观测、工业检测、医疗诊断等领域。
2.时空域精细操控半导体纳米晶能带结构
浙江大学邱建荣团队与之江实验室谭德志团队合作，揭示了飞秒激光诱导空间选择性介观尺度分相和离子交换新规律，实现了对玻璃微区元素分布的精细调控，开拓了飞秒激光三维极端制造新技术，构筑了三维发光宽波段连续可调谐纳米晶结构，首次提出并展示这种三维微纳结构在超大容量超长寿命信息存储、高稳定Micro-LED列阵和动态立体彩色全息显示等的前沿应用。
3.基于超构透镜集成的平面广角相机
南京大学李涛团队研发出一种基于超构透镜阵列的平面广角相机，仅用一微米厚的纳米结构就实现了超过120°视角高质量的广角成像功能。这一全新原理的设计原理成功突破传统商用鱼眼镜头在体积和重量上的限制，展示了超构透镜设计在颠覆性成像技术中巨大的应用潜力。
4.光电集成轻微型“复眼相机”，解决商用探测器不兼容问题
吉林大学张永来领衔的合作团队通过飞秒激光微加工技术，制造具有对数轮廓小眼的三维仿生复眼，突破了三维复眼非平面成像和商用微型CCD/CMOS探测器失配难题，研制了质量仅为230mg的光电集成微型复眼相机，借助多目视觉原理和神经网络重构算法，实现了对微观目标运动轨迹的三维重构。该成果在医疗内窥成像和微型机器人视觉等前沿领域具有重要意义。
5.光纤量子密钥分发新纪录——无中继安全传输超830公里
中国科学技术大学郭光灿、韩正甫团队通过解决极弱光双场制备和低噪声快速相位补偿难题，突破信噪比限制，创造830公里无中继光纤量子通信世界纪录。相比于国内外其他团队的工作，该成果不仅将无中继传输距离提升了200多公里，而且将成码率提升了50～1000倍，向实现千公里陆基量子通信迈出了重要一步。
6.光频完美异常反射器
同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬联合复旦大学物理学系周磊，提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构，通过传输波和布洛赫波的高效耦合增强非局域能流调控能力，首次实现了效率优于99%的光频异常反射。研究成果有望推动新型波束扫描系统等仪器装备的发展。
7.超长寿命的钙钛矿LED
浙江大学狄大卫、赵保丹团队利用双极性分子稳定剂抑制离子迁移，首次实现了满足实际应用标准的超长寿命钙钛矿LED。在等同于高亮度OLED的光功率下，这些近红外LED的寿命为32675小时(3.7年)；在更低的辐亮度下，其寿命预期长达270年。这些创纪录的器件在5mA/cm2的恒定电流下持续工作5个月，辐亮度无明显衰减。
8.世界首例铌酸锂薄膜偏振复用相干光调制器
中山大学蔡鑫伦课题组实现了世界首例铌酸锂薄膜偏振复用相干光调制器，该器件具有CMOS兼容驱动的半波电压，110GHz的调制带宽，这是目前世界上最高性能的超低电压和超大带宽的电光调制器芯片。利用这一芯片，研究团队演示了目前单载波相干传输的最高净速率——1.96Tb/s。该项研究攻克了在下一代超高速、低功耗的相干光传输系统不可或缺的电光转换器件。铌酸锂薄膜材料及其光子集成技术研究为实现我国光通信产业链自主可控提供了有力保障。
9.首次发现光学微腔中的界面回音壁模式
北京大学物理学院肖云峰团队与中科院半导体所陈幼玲合作，首次发现了光学微腔中的界面回音壁模式。研究人员在微流集成的微泡腔中，将光学回音壁模式的电磁场峰值调控至传感表面，从物理上提高了传感器的光学响应强度，成功实现了具有单分子响应的微流传感器件，在高灵敏度微量检测领域具有广泛的应用前景。
10.在光编码液晶超结构应用取得突破性研究进展
华东理工大学化学与分子工程学院、物理学院、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心朱为宏、郑致刚、Feringa合作，围绕动态可控手性液晶光学微结构，从材料设计、制备和微结构的外场控制入手，解决传统液晶体系光效率低的问题，赋能液晶微结构的光控宽动态域，发展可逆、可擦、渐变、结构叠加与嵌入的多重防伪新技术，为解决我国在高端防伪技术领域面临的材料瓶颈提供了可供借鉴的技术方案。
“2022中国光学十大进展”提名奖
基础研究类(10项)
1.效率首次突破量子不可克隆极限的微波——光波相干转换
华南师范大学廖开宇、颜辉、朱诗亮团队在量子网络领域取得重要研究进展：理论提出并实验实现了一种基于非共振六波混频的微波-光波相干转换方案，利用冷原子系综实现了效率超过82%的微波-光波相干转换，为超导量子计算机光学接口的实用化奠定了基础。
2.首次实现非重力压制下的锶原子浅光晶格赫兹窄谱
中国科学院授时中心常宏团队和重庆大学汪涛、张学锋团队合作，国际上首次利用弗洛凯技术在锶原子浅光晶格钟平台上将kHz的谱线压窄到Hz级别。该实验不仅为量子精密测量提供了新的思路，也向空间载星载光钟迈出了重要的一步。
3.近场光学旋涡中的光学斯格明子结构
深圳大学袁小聪、杜路平团队通过研究旋转对称性破缺下的光学自旋-轨道耦合，发现并论证了光学自旋拓扑态与对称性的紧密联系，揭示了自旋拓扑光子学新物理，在光学位移传感、磁畴检测、量子技术等领域具有重大的应用前景。
4.基于液态水的宽带太赫兹脉冲相干探测
首都师范大学张亮亮联合北京理工大学赵跃进、中国人民大学王伟民团队在国际上首次实现了基于液态水对宽带太赫兹波的相干探测，获得太赫兹电场的时域波形，频谱响应达到0.1~18THz，并可扩展到更宽的范围。此方案突破了传统的固体探测中频谱受限的瓶颈，所需激光能量比气体探测低2个量级，灵敏度提高一个量级。后续研究证实液体探测可通过改变液体种类等手段进一步提高性能，并为生物水环境下分子动力学研究提供新的技术途径，促进了太赫兹液体光子学的发展。
5.实现46阶非线性光子雪崩效应及超分辨荧光成像
华南师范大学詹求强团队在物理原理上创新提出了在不同发光离子间迁移光子雪崩效应的新机理，基于低功率连续激光激发在纳米尺度、室温条件下实现了46阶的超高阶非线性荧光效应；基于此效应，在光学应用上使用单束连续激光实现了λ/14的远场光学分辨率，功率仅需300微瓦，系统条件也比传统共聚焦更简易，进一步还实现了亚细胞超分辨生物成像。该成果通过纯物理法打破光学衍射极限，为超分辨显微成像提供简便方法的同时，在其他同样需要克服衍射极限的光刻、光存储、光传感等领域也具有广阔的应用空间。
6.大面积、高通量的鲁棒性单向体态传输
华南理工大学李志远团队提出异质Haldane模型预测了电子体系中单向体态的存在，可实现能量的高通量输运。他们进一步将该模型拓展至光子学领域，在异质磁化的紧凑型二维蜂窝晶格磁光光子晶体中实现了电磁波的长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输。该研究工作拓展了人们对拓扑物相的认识，丰富了拓扑物态调控的手段，并为开发高通量、强鲁棒性能量输运材料及结构提供新思路。
7.基于叉指电极结构的无载流子注入的发光器件
清华大学宁存政团队突破传统半导体光电子器件设计框架，充分利用二维半导体激子结合能大的优势，提出一种基于叉指电极结构的二维半导体发光器件。该器件不需要电极与二维半导体直接接触并注入载流子，不需要对二维半导体进行掺杂或制作PN结，而是通过电场加速材料中已有载流子，使之与半导体价带电子碰撞，产生激子并发光。该结构可以利用碎片化二维半导体制备大尺寸及多波长发光器件。
8.利用热活化延迟荧光发光机制实现高效X射线闪烁和成像
浙江大学杨旸等人和合作者探索了X射线激发物质分子的激发态物理机制，与紫外可见光激发不同，团队发现X射线光子会激发大量三线态暗激子，并提出了定量测量单三线态生成比例的方法。基于这一物理图象，团队借鉴有机发光显示领域的知识，首次提出了利用热活化延迟荧光高效、高速利用X射线激发下的三线态暗激子的新机制，为X射线成像应用提供了新的科学基础。
9.发现光学自旋-轨道映射新奇现象
华中科技大学王健团队在各向同性光纤波导介质中发现了一种光纤本征模退简并特性引起的光学自旋-轨道映射新现象。该发现丰富了光的自旋-轨道相互作用的内涵，为光的自旋与轨道自由度提供了新的操控手段，有望应用于光通信、光计量和量子光学等领域。
10.飞秒激光直写三维无机纳米结构研究取得新进展
中国科学院理化技术研究所金峰、郑美玲联合暨南大学段宣明等在飞秒激光三维无机纳米结构加工方面取得新进展。研究团队利用超快激光多光子效应，实现了无机光刻胶超衍射纳米光刻，获得了激光波长三十分之一的26nm特征尺寸、具有优异耐高温和耐溶剂性能的3D无机微结构与器件，为发展新型3D无机纳米结构和器件提供了新方法。
应用研究类(10项)
1.实现高维量子计算芯片
北京大学王剑威团队与合作者实现了一款基于大规模硅基集成光量子芯片的可编程高维量子处理器，实现了高维单量子位和双量子位的初始化、操作和测量，提供了一种自上而下、从算法到量子门操作、从顶层需求到底层物理实现的高维量子计算架构，通过编程重构该处理器超过百万次以上，实现了一系列高保真量子逻辑门操作，执行了多种重要的高维量子傅立叶变换类算法，实现了高维量子计算的原理性验证。
2. 超表面实时超光谱成像芯片
清华大学崔开宇等人研制成功的国际首款实时超光谱成像芯片，可一次获取空间15万个像素点的超光谱信息，利用这一芯片成功获取了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物特征光谱的动态变化。这一成果相比已有片上光谱检测技术实现了从单点微型光谱仪到实时超光谱成像芯片的跨越，可为成像技术开创物质解析新维度，具有高精度、芯片化、可量产的优势，有望成为下一代成像芯片的颠覆性技术，相关成果已进行应用推广和产业化。
3.计算超分辨图像重建通用算法，稳定提升荧光显微镜两倍分辨率
北京大学陈良怡与哈尔滨工业大学李浩宇团队合作，通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”通用先验知识，发明稀疏解卷积算法，突破现有显微系统光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的结构光系统，实现目前活细胞成像中最高空间分辨率(60nm)下，速度最快(564Hz)、成像时间最长(1小时以上)的超分辨成像。
4.高功率全光纤绿光激光器迈向实用化
厦门大学罗正钱团队与华为公司合作，提出掺镨双包层光纤下转换直接产生绿光激光，发展可见光光纤端面介质膜技术构建全光纤绿光谐振腔，获得521nm输出功率3.6W绿光激光，实现小型化全光纤高功率绿光激光的突破。
5.新型成像技术：或成活体大脑无创成像有力工具
香港科技大学瞿佳男团队研究了一种新型的活体自适应光学三光子显微成像(AO-3PM)系统，该系统结合了自适应光学和三光子成像技术，能够穿过活体小鼠完整的头骨，在大脑深处进行高分辨率、大视场的成像。这项技术极大地提高了非侵入式活体成像的图像质量，为研究大脑结构和功能提供了有力工具。
6.新型激光雷达探索云与气溶胶相互作用
浙江大学刘东团队及合作者为此提供了一个全新而有效的解决方案——研制了双视场高光谱分辨率激光雷达，通过超精细光谱鉴频分离了瑞利散射与米散射，利用准单次散射近似极大地简化了多次散射效应的表征，并通过巧妙设计反演参数对视场角的差异敏感性获得了高精度反演，最终首次实现了水云与气溶胶光学及微物理特性剖面的全天时高精度同步探测，可更深入地研究和理解云与气溶胶相互作用现象的本质。
7.多级衍射光片成像技术实现活细胞3D动态超分辨观测
华中科技大学费鹏、张玉慧团队合作提出多级衍射调控光片显微技术和类脑式分层感知AI超分辨算法，将活细胞三维超分辨成像空间分辨率推至各向同性100纳米的同时实现17Hz每体积的高时间分辨率，首次观测到多种细胞器在4D时空的精细相互作用，并定量揭示内质网、Drp1蛋白寡聚体介导线粒体分裂的调控模式。论文2022年3月发表于Nature Methods。
8.高性能、低成本胶体量子点短波红外成像芯片
华中科技大学高亮、唐江团队近四年围绕CQD红外探测芯片展开研究，针对CQD缺陷多、器件结构不兼容、集成工艺不成熟等瓶颈问题，采用液相钝化新策略、设计制备新型顶入射器件、开发硅基一体化集成工艺。联合华为公司研制出国内首款CQD短波红外成像芯片，阵列规模为640×512，红外峰值外量子效率达63%，与同类CQD芯片比较，外量子效率国际领先。
9.拓扑腔面发射激光器
中国科学院物理研究所陆凌团队提出了一种全新的狄拉克涡旋拓扑腔，可以从原理上突破现有瓶颈，同时提高出射功率和光束质量。最近团队基于拓扑光腔，研制出了拓扑腔面发射激光器。在1550nm同时实现了单个器件10W峰值功率、小于1°的远场发散角、60dB边模抑制比，和二维多波长阵列的集成能力。拓扑腔面发射激光器的发明是拓扑物理应用出口的一次探索，对于人脸识别、自动驾驶、激光雷达等新兴技术有重要意义。
10.实现具有高性能的超高分辨率QLED
福州大学李福山等人创新性地利用有序分子自组装技术实现了致密无缺陷的量子点单层膜，并结合转移印刷技术实现了亚微米级像素的超高分辨率量子点显示(~25000PPI)。首次提出在发光像素之间嵌入蜂窝状图案的非发光电荷阻挡层，有效降低了器件漏电流，极大地提高了器件效率。该成果为实现具有高性能的超高分辨率发光显示开辟了一条全新路线。
“2022中国光学十大进展”获奖名单以网站链接为准。https://www.opticsjournal.net/CL/ZGGX?type=view&postid=PT230420000003jGmJp
“2022中国光学十大进展”提名奖获奖名单以网站链接为准。https://www.opticsjournal.net/CL/ZGGX?type=view&postid=PT2304200000062Y5b8
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