2020年度中國光學十大進展揭曉

2021-10-12 19:57
科學中國人·上半月 2021年5期
關鍵詞:光子光學量子

2021年4月25日,首屆光學前沿高峰論壇暨2020年度中國光學十大進展頒獎典禮在杭州舉行,量子糾纏光源、熒光成像、金屬鈉等離激元等10項基礎研究,激光聚變、光學雷達遠距離成像、光譜氣體檢測等10項應用研究成功入選“2020年度中國光學十大進展”。

“中國光學十大進展”評選活動由《中國激光》雜志社發起,至今已成功舉辦15屆,旨在促進中國優秀光學研究成果的廣泛傳播,推動中國光學事業的發展。憑借高學術水平的候選成果,以及嚴格公正的評審機制,這一獎項備受業界認可,具有高度的公信力和影響力。

2020年度評選活動經過首輪推薦、初評、終評3個環節,48位評審專家綜合考慮候選成果的學術價值和應用價值,并以無記名投票方式選出20項優秀的光學成果。

名單如下:(排名不分先后)

基礎研究類

1.基于超構透鏡陣列的高維量子糾纏光源

量子信息是目前國際上最前沿、最活躍的研究領域之一,超構表面的研究與發展為量子光源及光量子信息技術的發展提供了一條全新的路徑。

由南京大學祝世寧院士、王振林教授、張利劍教授和王漱明副教授團隊、香港理工大學蔡定平教授團隊、中國科學技術大學任希鋒副教授團隊和華東師范大學李林研究員組成的聯合團隊通力合作,通過結合超構透鏡陣列與非線性晶體,成功制備出高維路徑糾纏光源和多光子光源。

2.發現并揭示莫爾晶格中波的演化規律

各種波,不管是聲波、水波,還是電磁波、引力波、物質波,總是傾向于向周圍擴散。因此,控制波的擴散使其局域在某個有限的空間之內是一個長期存在的重要科學問題。以光學中光波的局域為例,人們提出了各種各樣的局域機制:基于光纖的全反射、基于光子晶體的能帶帶隙、基于隨機系統的安德森局域,以及基于非線性光學材料的局域機制。

最近,以光波的局域為例,上海交通大學物理與天文學院葉芳偉課題組與陳險峰課題組合作,率先發現并揭示了一種新的波包局域機制:基于莫爾晶格的極平帶結構。該發現具有重要的物理意義和廣泛的適用性。

3.亞納米分辨的單分子光致熒光成像

用光實現原子尺度空間分辨一直是納米光學領域追求的終極目標之一。

中國科學技術大學侯建國院士團隊的董振超研究小組,將成像空間分辨率大幅提升,推進至0.8nm的亞納米分辨水平,在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致熒光成像,為在原子尺度上展現物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。

4.狄拉克渦旋拓撲光腔

中國科學院物理研究所光物理重點實驗室L01組陸凌研究員等人的團隊與合作者,理論提出并且實驗證實了一種全新的拓撲光子晶體微腔,不但可以支持任意簡并度的腔模,而且是目前已知光腔中,大面積單模性最好的。

這個拓撲光腔填補了半導體激光器在選模腔體設計上的空白,為下一代高亮度單模面發射器件提供了符合商用激光器歷史規律的新發展方向,對激光雷達和激光加工等技術有潛在的積極意義。

5.單分子回聲

聲波的回聲是一種常見的自然現象,當聲波在傳播過程中遇到障礙物時,將被反射形成回聲。回聲現象在很多方面都有著非常重要的應用,例如:利用電子自旋回聲進行核磁共振成像。

華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室科研團隊利用超快飛秒激光和符合探測技術,首次實驗觀測到了單分子體系內的超快振動回聲。

6.金屬鈉:助推等離激元光子器件走向應用

表面等離極化激元,是光與金屬表面自由電子集體振蕩耦合形成的一種元激發,在微納光子器件和光子集成、超分辨成像等領域具有廣闊的應用前景。

南京大學朱嘉、周林、祝世寧團隊聯合北京大學馬仁敏等在金屬鈉等離激元光子器件研究方面有了重要突破。基于液態金屬旋涂技術,研究團隊首次展示了金屬鈉微結構的制備和近紅外波段室溫低閾值納米激光器。堿金屬本征的低損耗特性和獨特的電化學性質,將有力地推動新型等離激元功能器件的發展。

7.時空光渦旋與光子橫向軌道角動量

光子角動量在光與物質相互作用中發揮重要影響。上海理工大學納米光子學團隊首次從理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場,開創了一個全新的光子軌道角動量自由度。

8.放棄相位板,無需光學對準也能產生相位渦旋光束

研究人員針對光的軌道角動量的特點,正在努力實現基于軌道角動量渦旋光束的通信、物質探測、光學操控和微納加工等應用。復旦大學光子晶體課題組首次提出利用光子晶體平板結構的動量空間偏振場奇點來產生渦旋光束,并在實驗上得到驗證。

9.首次觀測到開放量子體系中的非厄米趨膚效應

北京計算科學研究中心薛鵬教授團隊及合作者在實驗上首次觀測到開放量子體系中的非厄米趨膚效應,并證實了非厄米體邊對應原理。這一成果處于非厄米系統、拓撲相變、量子模擬等量子物理和凝聚態物理學前沿方向的關鍵結合點,是拓撲物態和開放體系兩個方向的基礎性進展,對新奇拓撲序的量子模擬及全面理解開放體系拓撲現象有重要意義。

10.單層氮化硼聲子極化激元的直接觀測

國家納米科學中心戴慶課題組和北京大學高鵬課題組合作,將透射電鏡與納米光子學領域結合,利用透射電子顯微鏡中的電子能量損失譜直接探測到超高波長壓縮的單層氮化硼聲子極化激元,將光波長壓縮超過487倍,為超表面設計和超強光與物質相互作用提供了重要的研究基礎。

應用研究類

1.國際首輪間接驅動高增益激光聚變快點火集成實驗

慣性約束聚變因其有望解決全球能源問題而備受矚目。中國工程物理研究院激光聚變研究中心、北京應用物理與計算數學研究所、中國工程物理研究院研究生院、國防科技大學、北京大學、深圳技術大學和上海光機所聯合室聯合組成的激光聚變研究團隊在神光Ⅱ升級裝置上完成了國際首輪間接驅動快點火集成實驗,驗證了間接驅動快點火創新設計方案的科學可行性。

2.大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池

南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授團隊在大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池上取得新突破。該團隊制備的大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池經日本電氣安全和環境技術實驗室(JET)權威認證,穩態光電轉換效率高達24.2%,為目前大面積鈣鈦礦太陽電池的世界紀錄效率。

3.光學雷達遠距離單光子成像

中國科學技術大學潘建偉院士、徐飛虎教授課題組在城市環境中通過平均每個像素點探測約一個信號光子,實現了距離達45km的單光子三維成像,創下了新的成像距離紀錄。該遠距離單光子成像雷達系統在硬件端和軟件端均發展了適用于遠距離成像的先進技術。

4.超快激光三維操控透明材料內部鈣鈦礦量子點的可逆生長

華南理工大學材料科學與工程學院發光材料與器件國家重點實驗室/光通信材料研究所董國平課題組,利用飛秒激光輻照和熱處理實現了鈣鈦礦量子點在玻璃內部任意位置的可控生長,并實現了飛秒激光和熱處理操控鈣鈦礦量子點的可逆形成與發光,拓展了量子點在三維顯示、信息防偽,以及可擦重寫超高密度信息存儲領域的潛在應用。

5.新型激光光熱光譜學氣體測量技術

痕量氣體檢測在環境、醫藥、石油化工、安防、航空航天等領域具有重要應用價值。香港理工大學靳偉研究組、北京航空航天大學樊尚春研究組和北京工業大學汪瀅瀅、王璞研究組聯合研究團隊提出了一種基于光纖模式相位差探測的新型激光光熱光譜學氣體測量技術,使痕量氣體檢測下限達到萬億分之一量級。

6.世界首例可用于數字相干光通信的高性能鈮酸鋰薄膜電光調制器芯片

中山大學蔡鑫倫教授團隊與國家信息光電子創新中心肖希博士團隊合作,在超高速電光調制器芯片的研究中取得了突破性進展,實現了世界首例可用于數字相干光通信的高性能鈮酸鋰薄膜電光調制器芯片。

7.雙倍頻程展寬的芯片級光頻梳

光學頻率梳作為具有確定梳齒頻率間隔的光頻標尺,在精密測量中發揮著極為重要的作用。北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士領導的課題組利用非對稱光學微腔中的混沌輔助寬帶動量變換,實現了覆蓋兩個倍頻程、450~2000nm超寬譜光梳的激發與高效率收集,打破了國際微腔光梳的譜寬紀錄,并且首次在混沌微腔中觀測到鎖模孤子脈沖存在的證據。

8.光矢量分析:超高分辨率、大動態范圍、超寬帶

光器件是新一代光信息系統(光通信、光傳感、光處理、量子計算等)的基石。光矢量分析方法對光器件的研制、生產、檢測和應用有著極為重要的作用。南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室的潘時龍教授團隊展示了一項能同時實現超高分辨率、超寬帶和大動態范圍的光矢量分析方法。

9.真空光鑷實現單個微納粒子質量和位置的高精度測量

微納尺度下的物理量的高精度測量一直是技術發展的難點,并制約著科學研究與應用發展的前進。中國科學技術大學郭光燦院士團隊孫方穩教授小組與新加坡國立大學仇成偉教授合作,基于真空光鑷系統實驗實現了對單個微納粒子的高精度全光學的質量和位置測量。

10.熒光轉換體的3D打印和無壓燒結技術

熒光轉換型白光LED被廣泛應用于背光顯示和普通照明,未來將應用于道路照明、汽車照明和大尺寸顯示等領域。

浙江大學邱建榮教授團隊發明了一種3D打印和無壓燒結技術,用于快速制造量子效率高、顏色可調、物理化學性能優異的熒光轉換體,實現了全無機熒光轉換體的增材制造,有望應用于高功率LED和激光照明領域。

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