中国光学十大进展｜超快相机、回音壁聚光、新型光芯片等入选

由中科院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的中国激光杂志社近日发布“2019年度中国光学十大进展”。量子密钥分发、光子芯片、智能激光器、全色激光显示等20项重大光学进展从110项成果中脱颖而出（基础研究类与应用研究类各10项）。

澎湃新闻（www.thepaper）对其中部分成果进行了深度解读。

据介绍，本年度入选成果属于围绕世界科学前沿和国家科技战略展开的重大科研项目，部分面向科学前沿和国家需求，塑造中国科学家的世界话语权；同时，也有部分成果与我们生活和工作密切相关，可能在不久的将来服务社会，惠及民生。

在基础研究类中，西安交通大学教授陈烽制造了每秒4万亿帧的超快相机，光谱分辨率达到了亚纳米级（1米=10的9次方纳米），刷新超快成像记录。陈烽在接受澎湃新闻记者专访时表示，利用一束“颜色”规律变化的奇妙激光，他们“按一次快门”就能记录下微观世界的超快运动过程，让光子的运动轨迹像电影《黑客帝国》里的子弹一般慢动作回放。

北京大学肖云峰教授和龚旗煌院士领导的研究团队用一种原理类似天坛回音壁的光学微腔，将光子“合二为一”，得到了能量更高的光波，相比此前的方法合成效率提升了14个数量级。业内专家解读道，这种增强后的光学信号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、吸收等物理、化学性质。

在应用研究类中，哈尔滨工业大学（深圳）副教授徐科、教授宋清海与上海交通大学研究员杜江兵、教授何祖源团队合作，解决了模分复用光电子芯片的大规模集成瓶颈。徐科介绍道，作为光通讯领域的尖端器件，光电子芯片目前国产化程度较低。在大数据的压力下，光电子芯片的带宽制约了光通信系统速度。为此，该团队设计了一种新型结构，给芯片上的光子增加“车道”而又互不干扰，能像集成电路一样大规模布线。

包括新型冠状病毒、禽流感、埃博拉、天花等在内的疾病都是由仅数十至几百纳米大小的病毒导致的。浙江大学刘旭教授和匡翠方教授课题组开发出了具有完全自主知识产权的新型时空超分辨光学显微镜（应用研究类成果），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，为微管、内质网、线粒体和细胞膜等亚细胞组织的生物动力学分析提供了有力的研究工具。

由于缺乏有效的蓝光发射材料，高性能蓝光激光的研究一直面临挑战。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，发现一种新型材料能够实现有效蓝光发射，成功实现高性能蓝光单模激光输出。全色显示至少需要红、绿、蓝三原色光才能实现，白光照明的实现也需要有效蓝光发射器件的加入。该蓝光发射微球激光器在激光全色显示、白色激光照明及多色微纳激光器研究等方面具有重要的研究意义和应用价值。

为了精确地了解很多物质内部结构和成分，X射线光谱分析十分重要。越来越精细的测试需求对其核心部件高分辨率光栅的线密度也提出越来越高的要求，部分设备需要超高亮度光源和长达10米左右的测量臂长，而且核心部件高分辨率、高线密度光栅器件制备技术难度极高。中科院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员与同济大学合作者，提出一种大面积制备超高线密度光栅器件的方法，将为未来大幅减小光谱设备尺寸、提高测试精度提供了一种方案。

基础研究类（排名不分先后）：

微腔表面对称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模式光学微腔，极大增强了表面对称性破缺诱导的非线性光学效应，得到的二次谐波转换效率提升了14个数量级。

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，在国际上首次揭示了由光的自旋-轨道耦合产生的“光学斯格明子”结构，并揭示了存在其内部的光学自旋超精细结构，在亚纳米光学位移传感、光学超分辨显微成像等领域具有重大应用前景。

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。

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唐江教授团队及其合作者，阐明了非铅卤素钙钛矿Cs2AgInCl6的自限域激子发光机理，并通过Na+合金化和Bi3+痕量掺杂实现了高效稳定的单基质白光发光，突破了单基质白光荧光粉的效率瓶颈，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应用。

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，通过设计合成新型核壳结构量子点，研发了兼具高亮度、高效率和长寿命红绿蓝三基色QLED器件，其中多项性能指标创世界记录，该研究结果有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。

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，在二维磁性材料双层三碘化铬（CrI3）中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应，并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。

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，实验获得了强度高达千特斯拉量级、自组织放大的强磁场阵列。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。

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。

4万亿帧/秒：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香港城市大学王立代博士团队合作，提出了一种全新的“压缩超快时间光谱成像术”（CUST），在帧率、帧数、和精细光谱成像等方面突破了现有超快成像技术的局限，研究成果发表在Physical Review Letters上。

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（1THz=1012Hz），和亚纳米级超高光谱分辨率。

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。在严格满足爱因斯坦局域性的条件下，观测到了光的波动性与粒子性的可控量子叠加。该项工作为未来的量子技术提供了新的调控手段。

应用研究类（排名不分先后）：

基于类人算法的智能锁模激光器

上海交通大学义理林教授课题组提出了基于类人算法的智能锁模激光器，解决了被动锁模激光器失锁难以自动恢复的难题，最快开机自动锁模仅需0.22s，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。

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、宋清海教授与上海交通大学杜江兵副研究员、何祖源教授团队合作，通过对波导有效折射率的精细调控实现了片上模分复用关键器件的小型化，并完成了三模式复用的高速信号3×112 Gbit/s在片上的任意传输和互连。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。

基于多角度干涉的三维多色活细胞超分辨光学显微镜

浙江大学光电科学与工程学院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）。

无磁光场非互易放大

华东理工大学龚尚庆、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。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。

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，通过在硅基芯片上异质集成铌酸锂材料，实现了高性能的硅和铌酸锂异质集成电光调制芯片，在光学损耗、调制带宽、半波电压和线性度等方面突破了传统硅基电光调制的局限。所有材料与器件工艺完全依靠国内自主条件，具备完全的自主知识产权。

采用反向外延技术实现晶圆级亚50nm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研究员与同济大学合作者，提出了一种制备大面积超高线密度光栅的新方法，在2英寸晶圆上实现了＞20000线/毫米光栅器件的制备；通过与高效率X射线多层膜相结合，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。

高性能蓝光单模微纳激光

中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室张龙研究员领衔的微结构与光物理研究团队在蓝光单模微纳激光研究方向取得重要进展。该团队发现一种新型全无机钙钛矿RbPbBr3材料，成功实现高性能蓝光单模激光输出。

突破线性界限制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，有效提升了双场类协议的执行效率。基于该协议，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，在300km常规商用光纤信道中，率先完成了超越线性界限制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。

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，通过设计掺入光控手性翻转分子机器的自组装螺旋超结构，实现了工作波段连续可调、共轭相位分布光控变换的平面光子元件，提供了一种动态平面光子元件的实用方案。

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，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。