“微纳光学Ⅱ”专题前言
——陈树琪，程亚，赵建林
《光学学报》曾在2021 年推出“微纳光学”专刊，受到了学术界和产业界的广泛关注。然而，微纳光学进展如火如荼，新成果层出不穷。为此《光学学报》编辑部精心组织了“微纳光学Ⅱ”专题，特别邀请了国内二十多位相关领域专家及其团队，结合近年来该研究领域的代表性研究成果撰写最新研究综述及研究论文。此次专题主要内容有：光学非线性激活函数器件的原理与应用；基于矢量光场的等离激元模式调控...
查看详情
北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室
[摘要]神经网络中的非线性激活层可以改变多层网络数据间的线性变换关系，使神经网络得以进行更复杂的学习。为实现处理速度更快，能耗更低的运算，近年来光子领域的神经网络逐渐受到重视，一系列光学非线性激活函数器件应运而生。本文综述了近年来在光学神经网络中引入非线性激活函数的工作，从光学非线性函数的物理机制及其在光学神经网络中的应用出发，对该领域的工作进行了回顾；总结并讨论了光学神经网络中光学非线性激活函数器件发展所面临的挑战及变化趋势，并基于此展望了其发展前景。
西北工业大学物理科学与技术学院
[摘要]表面等离激元因其极强的束缚光场能力，成为亚波长尺度下研究光与物质相互作用的理想平台，也是构建未来小型化、低功耗、高便携光电子器件的核心单元。更多维度、更加精确和灵活地调控等离激元的模式性质对推动其基础和应用研究至关重要。近年来，光场调控技术的发展，拓展了人们利用光场的维度，也赋予光场更强大的操控等离激元模式的能力。本文简述了矢量光场与等离激元模式作用的基本理论与物理机制，回顾了近年来矢量光场调控等离激元模式激发、耦合和远场辐射的研究进展，并介绍了相关研究在增强光谱、纳米颗粒光捕获、纳米位移传感等方面的应用。
区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海交通大学物理与天文学院
[摘要]光的自旋轨道耦合现象在微纳尺度的光与物质相互作用中几乎无处不在。偶极辐射等非傍轴光在空间传播中具有自发自旋轨道耦合，当光遇到各向异性结构、磁性结构、手性结构，以及具有波长尺度空间不均匀的结构时，自旋轨道耦合现象也时常发生。对光的自旋深入研究不仅有利于新光学现象的发掘，还为微纳光场操纵提供了新途径。近些年来，基于几何相位的超构表面在新型自旋光控制中展示出了很多重要应用，实现了多维度、多波长的激光自旋控制，产生了纠缠光子、自旋依赖的偏振热光源等，也发展了一些基于光自旋的超灵敏测量手段。相比而言，光与无序微纳结构相互作用的研究则较少。无序结构内在的随机性使得该体系的自旋轨道耦合变得复杂，光场的表征需要考虑统计特性，为测量、分析带来了一定挑战。此外，随机系统的光子自旋霍尔效应机理还没有完全清楚，随机几何相位涨落或者涡旋都能使光产生自旋霍尔效应，但是两者有很大的物理差异。因此，光子自旋霍尔效应与无序几何相位之间的规律还有待深入探索。首先介绍光的自旋概念、不同体系下的基本自旋轨道耦合现象，然后分析以超构表面为平台研究的二维随机体系对光自旋轨道耦合与光子自旋霍尔效应的影响，包括各向异性无序、磁光涨落、涡旋、随机偶极子辐射等产生的光自旋分离现象。这些研究和分析有利于将来用光自旋霍尔信号作为新的探测和控制手段，研究相互作用体系的相变与演化。
清华大学电子工程系
[摘要]基于空间扫描或波长扫描的传统光谱成像设备体积庞大，无法获取动态的光谱信息。利用超表面可以实现丰富的光谱调制函数，结合计算重建和空分复用方法可以实现高光谱分辨率和空间分辨率的实时光谱成像芯片。本文介绍了超表面光谱成像的基本原理，分别阐述了基于规则形状和自由形状的超表面光谱成像芯片的设计方法与性能指标，以及基于神经网络的光谱图像快速重建算法，简述了超表面光谱成像芯片在活体大鼠脑光谱成像、人脸防伪识别、自动驾驶等领域的应用，最后讨论和展望了超表面光谱成像芯片未来的发展趋势和应用前景。
山东师范大学物理与电子科学学院
[摘要]表面晶格共振源于周期阵列的衍射耦合，理论上可以获得高品质因子，并可有效增强光与背景环境中物质的相互作用。本文首先介绍在垂直入射激发条件下金属及高折射率介质纳米颗粒阵列中表面晶格共振的基本性质以及实现高品质因子的技术手段；然后，介绍基于反射镜上高深宽比介质纳米柱阵列在非对称折射率环境实现高品质因子表面晶格共振的研究进展；最后，探讨目前研究存在的局限以及后续的努力方向。
南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室
[摘要]神经网络中的非线性激活层可以改变多层网络数据间的线性变换关系，使神经网络得以进行更复杂的学习。为实现处理速度更快，能耗更低的运算，近年来光子领域的神经网络逐渐受到重视，一系列光学非线性激活函数器件应运而生。本文综述了近年来在光学神经网络中引入非线性激活函数的工作，从光学非线性函数的物理机制及其在光学神经网络中的应用出发，对该领域的工作进行了回顾；总结并讨论了光学神经网络中光学非线性激活函数器件发展所面临的挑战及变化趋势，并基于此展望了其发展前景。
暨南大学纳米光子学研究院广东省纳米光学操控重点实验室
[摘要]超构表面是人工设计的二维平面结构，可为光学器件的小型化和集成化提供新的思路。近年来，随着这一领域的不断发展，基于超构表面光学的各种光场调控机理和功能器件被提出。本文以光场操控的琼斯矩阵自由度为出发点，对近十年来的超构表面光学进展进行归类和综述，总结不同自由度琼斯矩阵的设计方法和相应的应用，并展望多自由度的超构器件研究的发展趋势。
南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室
[摘要]连续域束缚态（BIC）是一种特殊本征态，它与扩展态共存却具有强烈的局域性，不向自由空间辐射能量。自1929年被发现以来，BIC的相关理论与实验都取得了长足发展，成为当前的一个热门研究方向。在BIC研究的众多方向中，光子学是BIC研究中的一个重要平台，在非线性光学、传感与滤波、波导与通信等方向都有应用。本文回顾了BIC的研究历史并系统地介绍了光子学领域中BIC的分类及产生机制；归纳了几种常用的理论分析方法，并讨论了光子学BIC现有的应用以及未来展望。
中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室
[摘要]法布里-珀罗（F-P）微腔作为基础的光学谐振器，因其结构设计方法成熟、品质因子高等特性，在近现代光学领域中具有举足轻重的地位。近年来，随着微纳加工技术的不断成熟，F-P微腔进入了一个新的发展阶段，其结构展现出集成化、多样化、功能定制化的特点，其应用领域也得到进一步拓展。本文总结了近20年来F-P微腔在光场调控领域的研究进展，重点介绍了基于F-P微腔的分光结构及光谱探测应用、F-P微腔中光子与低维材料相互作用的研究，以及F-P微腔在参数精密测量、生物检测、多维光场调控等方面的潜在应用，并对未来F-P微腔的发展及新的应用前景进行了展望。
复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院
[摘要]Brewster效应作为一种经典物理现象描述了平面偏振电磁波在电介质表面上的零反射行为。随着超材料和超表面的迅速发展，Brewster效应得到了许多扩展研究。人们借助超材料和超表面实现了任意频率、偏振和入射角的平面电磁波的零反射现象，这被称为广义Brewster效应。本文综述了广义Brewster效应的物理实现及其应用研究，首先回顾了实现广义Brewster效应的各种物理体系和物理机制，指出了一些传统分析方法的局限性。为此，创新性地讨论了广义Kerker效应的一种简单而普适的设计原则，即通过人工结构构建多极矩的干涉相消。随后，回顾了在该原则指导下设计的各种超表面，进一步讨论了其在5G毫米波通信电磁窗口和相控阵天线宽角扫描的应用。最后指出了这一领域目前存在的问题并展望了未来的发展方向。
同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室
[摘要]近年来受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。本文主要综述了周期性二聚化以及准周期性Harper光子拓扑链中光子与人工带隙材料的相互作用，揭示了非厄密物理、宇称-时间对称转变和拓扑相变对能带和带隙的作用规律，以及光场本征态的调控和传输机制。围绕实际的共振耦合技术，介绍了非厄密拓扑物理启发下的具有拓扑保护特性的高性能近场无线传能和传感方案，并对非厄密拓扑物理对于无线传能和传感的发展将起到的作用进行了展望。
同济大学物理科学与工程学院，同济大学精密光学工程技术研究所
[摘要]光镊技术通过在细小物体上施加光力对物体进行操控，而伴随光力产生的光力矩同样广泛存在于光学操控中。光力矩与光力一样，具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点，在生物医学、物理学和量子科学等领域被广泛应用。光力矩根据其与施加光场偏振旋向的关系可分为正光力矩和负光力矩。从正负光力矩产生的原理和条件、光力矩的增强、光力矩的物理和生物应用出发，对光力矩光镊操控进行回顾和讨论，最后对光力矩光镊操控潜在的挑战进行了总结，对其未来的发展方向如微型扭矩测量、光驱动生物机器人等进行了展望。
浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室
[摘要]双光子直写技术凭借其高精度、任意三维结构刻写、高成本效益、材料设计高自由度等特点，已被成功应用到多种微纳光学器件的刻写中。基于双光子直写的微纳光学器件应用不断拓展，对刻写分辨率和通量都提出了更高的需求。超分辨激光纳米直写和高通量激光直写技术使得双光子直写具有nm级精度与cm级尺寸的跨尺度加工能力，进一步拓展了基于双光子直写的微纳光学器件研究领域。本文首先对双光子直写原理进行概述，介绍本课题组在利用双光子直写技术制造衍射光学器件、光纤集成器件方面的研究进展；然后，介绍本课题组在使用超分辨激光直写技术制备纳米光子器件方面的拓展研究，并展示了高精度、高通量激光直写技术在大面积刻写微纳光学器件上的技术优势。
华东师范大学物理与电子科学学院极端光机电实验室
[摘要]光子集成器件以极低的成本和功耗实现覆盖从光源、调制、非线性频率转换、光放大到光探测的全功能单片集成，对光电信息处理系统产生显著而深远的影响，并推动一系列诸如高速通信、人工智能、量子信息，以及精密测量等重大应用领域的持续发展。近年来，铌酸锂薄膜光子器件得益于离子揭膜技术和微纳刻蚀工艺的进步，以宽的工作窗口、低的传输损耗、大的调制带宽、高的非线性光学转换效率和兼容大规模光子集成等优点，在集成光子学领域占据重要一席之地。本文介绍了利用超快激光光刻结合化学机械抛光技术在掺杂有源发光稀土离子的铌酸锂薄膜衬底上实现片上激光与光放大的最新进展，包括在波导放大器中实现了超过20 dB的最大内部净增益，并且在高品质铌酸锂微盘中演示了具有454.7 Hz窄线宽的电光可调谐单频激光器，演示了单片集成的电驱动微环激光器，以及连续光刻方式实现的无源/有源混合集成器件。
深圳大学电子与信息工程学院射频异质异构集成全国重点实验室
[摘要]金属纳米颗粒除了用作光学谐振腔，也是一类声学谐振腔，具有非常优异的声学振动性能。本文对金属声学谐振腔的相干声学振动及应用进行了概述。首先，介绍了金属纳腔相干声学振动的超快光学激发机制，并讨论了瞬态吸收光学显微镜对单个纳腔声学振动的探测；其次，阐述了几种简单金属声学纳腔（包括纳米球、纳米棒、纳米片）的振动模式、振动频率以及它们与纳腔尺寸、形状之间的关系；然后，重点讨论了金属纳腔间的声学振动强耦合现象，从多种纳腔耦合体系的实验出发，并从理论上分析了其中的耦合模式和耦合物理机制；接下来，对高频声学纳腔的应用进行了举例分析，详细讨论了高频声学振动在纳米流体学方面的应用；最后，对高频声学纳腔的未来发展趋势与应用前景进行了展望。
复旦大学应用表面物理国家重点实验室
[摘要]光谱是物质的光学指纹信息，是研究光与物质相互作用的重要手段。角度分辨光谱技术是对光谱在角度维度的进一步解析，能够分辨光的强度、偏振态和相位等信息，从而在生物医学、材料科学和微纳光子学等研究领域得到广泛应用。为了实现角度分辨光谱，目前已经开发了多种实验系统，并涌现出了大量数据处理算法。本文将介绍角度分辨光谱的生成方法、数据处理技术及其在不同研究领域中的应用。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室
[摘要]凭借优异的材料与光学特性，第三代半导体——碳化硅材料在集成光子学领域发展迅速并获得广泛关注。当前碳化硅材料正逐渐发展为可与CMOS工艺兼容的优异光子学材料平台。受益于高非线性系数和低光学损耗特性，碳化硅材料已广泛应用于多种片上非线性光学效应的实现，如高效二次谐波、快速电光调制和孤子光学频率梳产生等。同时与金刚石类似，碳化硅材料具有性能优异的二能级固体自旋色心，基于碳化硅色心与谐振腔的腔量子电动力学效应在近年来也得到广泛研究。综合近几年来国内外在碳化硅光子学上的研究现状，介绍碳化硅在集成非线性光学和集成量子光学领域中的最新研究进展，并就碳化硅光子学的未来发展趋势进行展望和讨论。
山东大学物理学院晶体材料国家重点实验室
[摘要]利用飞秒激光直写技术制备Tm∶YAP光波导并实现1.9 μm波导调Q锁模激光输出。结合具有金属特性的NbSe2薄膜作为可饱和吸收元件进行光学调制，波导激光输出的激光脉冲重复频率为7.8 GHz，最短脉宽为62 ps。这也是已报道的从Tm∶YAP波导中获得的最短激光脉宽。通过调整泵浦光的偏振，可以获得1855.87/1892.54 nm的双波长激光输出。结果表明，具有金属特性的NbSe2薄膜在调制中红外超快脉冲激光器方面具有较大的应用价值。此外，双波长输出的紧凑型Tm∶YAP波导脉冲激光器在多功能集成光子学研究方面具有较好的应用前景。
广东正业科技股份有限公司
[摘要]针对硬质材料高数值孔径（NA）微透镜阵列制备难的问题，提出一种基于像差的自调制激光加工方法。该方法将飞秒激光聚焦于石英衬底的下表面，能够实现对激光焦点的纵向拉伸，结合氢氟酸溶液湿法刻蚀实现了具有高数值孔径微透镜的制备。结果表明，利用该技术通过改变单脉冲能量能够对微透镜形貌进行调控，在此基础上进一步优化离焦位置，有效地增大了微透镜的数值孔径，制备出达到理论极限（NAmax=0.46）的高数值孔径石英微透镜。相对于传统的正面加工方法，所提方法方式不仅提升了微透镜的数值孔径，而且无需复杂的光调制系统，对于高性能硬质材料微透镜阵列的制备与实际应用具有重要的意义。
