超快光子计

在国家自然科学基金项目等资助下，东南大学吕俊鹏、倪振华教授团队与山东大学何京良、张百涛教授团队合作，运用缺陷工程提升二维可饱和吸收体器件性能，实现了基于二维Bi2O2Se可饱和吸收体的高性能的锁模脉冲激光输出。相关研究成果以“通过二维Bi2O2Se可饱和吸收体中的缺陷调控实现高输出功率的锁模激光（High output mode-locked laser empowered by defect regulation in 2D Bi2O2Se saturable absorber）”为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）。 图1 a-c 原始Bi2O2Se纳米片的TEM图像；d-f Bi2O2Se纳米片经过较短时间氩等离子体辐照后的TEM图像；g-i Bi2O2Se纳米片经过较长时间氩等离子体辐照后的TEM图像。 图2 a 缺陷调控后的Bi2O2Se的差分反射率变化趋势；b 不同等离子体辐照时间下Bi2O2Se的非线性吸收变化；c 缺陷调控后Bi2O2Se可饱和吸收体的连续锁模输出的最大平均功率以及阈值泵浦功率趋势；d 1.0 µm 锁模全固态激光器性能对比。 高输出功率的飞秒激光在精密加工、生物医学、和科学研究等领域展具有重要的应用价值。可饱和吸收体是实现超短脉冲的关键光学元件，直接决定锁模激光器性能。2009年以来，以石墨烯为代表的二维材料因具有十分优异的电子以及光学性能成为新一代高性能的可饱和吸收体材料和器件研究的热点。二维材料中包含种类丰富的缺陷，通过表面和缺陷工程可以有效调控二维材料的能带结构，进而对其电学、光学、磁学、机械等性能产生重要影响。然而，目前缺陷工程对二维材料中光生载流子动力学过程以及非线性吸收过程的调控机制尚未有详细报道。Bi2O2Se是一种新型的二维光电材料，具有大的非线性吸收系数以及良好的空气稳定性。研究团队通过利用氩等离子体辐照不同时间来精准调控二维Bi2O2Se中O空位以及Se空位缺陷态密度，可有效提高二维Bi2O2Se中光载流子的捕获速率和缺陷辅助的俄歇复合速率，进而实现对其可饱和吸收参量的调控。将二维Bi2O2Se作为可饱和吸收体应用到全固态锁模激光器中，实现了飞秒锁模激光输出，通过缺陷工程对二维Bi2O2Se可饱和吸收体进行调控后，锁模激光性能得到了明显提高（功率更高、脉宽更短），实现了665mW、266fs的超短脉冲激光输出。该项工作为二维材料超快载流子动力学过程以及非线性吸收特性调控提供了新途径，并为二维材料超快光子学器件的设计和开发奠定了理论基础。

近日，英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。 在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3 m距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。量子检测技术在陆地上的应用，较多见诸报道。其实这种技术在水下的应用，同样空间广阔。例如，利用它进行海底地形勘测、水下考古、海底设备检测等等。不过，将这种技术应用于水下，绝对不意味着将其直接“照搬”。以在海洋中的应用为例，需要考虑海水的腐蚀性、洋流的运动、海底光照条件等多种特殊因素。因此需要使用特殊的耐腐蚀材料，进行特殊的设计，以更加适应水下环境的应用。

华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤研究员团队在中红外三维成像领域取得进展，发展了宽视场、超灵敏、高分辨的中红外上转换三维成像技术，获得了单光子成像灵敏度与飞秒光学门控精度，可为芯片无损检测、远程红外遥感和生物医学诊断等重要应用提供有力支撑，相关成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”为题于2023年6月9日在线发表于Light: Science & Applications。华东师大为论文的第一完成单位，博士研究生方迦南为论文第一作者，曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点而被广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产检测等众多领域。特别是，中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖多种官能团吸收峰，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像，以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外三维成像领域的国际研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。然而，单光子水平的激光三维成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件工艺精进与新材料涌现，中红外探测器性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。图3：中红外单光子三维成像装置图为此，华东师大研究团队发展了基于高精度非线性光学取样的中红外上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体而言，研究人员采用非线性光学和频过程将信号波长高效转换至可见光波段，利用高性能硅基相机即可实现红外成像，从而规避了现有红外焦平面阵列灵敏度不足的技术瓶颈。同时，该上转换成像系统采用同步脉冲泵浦方案，可将背景噪声限制在极窄时间窗口内，结合精密频谱滤波可以有效提升探测信噪比，进而实现单光子水平的成像灵敏度。此外，研究人员沿用课题组此前发展的非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通过单次曝光即可获得大视场成像，免除了逐点机械扫描过程，大幅提升了成像速度。图4：中红外三维立体成像，被测信号强度约为1光子/像素/秒进一步，研究人员采用超快光学符合门控技术，精确测量中红外信号的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。该时间飞行成像系统的时间分辨能力取决于光学脉冲宽度，可以达到飞秒水平的时间标记精度，通过高速延时扫描与宽场全幅采集，对被测场景进行快速时域切片，进而反演出目标界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等丰富信息。图4展示了多角度中红外照明下三维数据信息融合重构出的被测目标立体形貌，其中被测信号强度约为1光子/像素/秒。图5：时空关联去噪算法，信号和噪声水平分别约为0.05和1000光子/像素/秒 在稀疏光子场景中，有效信号往往被淹没在严重的背景噪声中，仅从强度信息通常难以识别被测目标。为此，如何有效地区分信号和噪声光成为单光子成像的关键难点。为模拟极低照度、高噪声场景，该研究团队将红外信号衰减至0.05光子/像素/秒，对应的信噪比低至1:20000。如图5a-c所示，传统强度峰值识别算法并不能有效甄别信号。在主动成像中，成像系统接收的信号光子在时-空域上具有一定的连续性，而背景噪声光子则会随机分布在整个时间轴与空间像素点上。 基于该特性，研究人员发展了精确、高效和鲁棒的点云去噪算法，通过关联增强空间相邻像素与相邻时间帧的强度，有效提取与甄别信号光子，进而实现高背景噪声下的中红外单光子三维成像（图5d-i）。 所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为材料检测、无损探伤、生物成像等创新应用提供有力支撑。 近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外单光子测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外非线性广角成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，中红外单光子单像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高帧频中红外单光子光谱 [Laser Photonics Rev. 2300149 (2023)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的资助。

据美国物理学家组织网11月16日(北京时间)报道，斯坦福大学工程学院的研究团队研发出一种超快的纳米级发光二极管(LED)，能够以每秒100亿比特的速度传输数据，并比当前以激光为基础的系统装置能耗更低。研究人员表示，这是为芯片上的计算机数据传输提供超快、低能耗光源的重要步骤。相关研究报告发表在15日出版的《自然通讯》杂志上。　　科研人员表示，低能耗的电控光源是下一代光学系统的关键，这能够迎合计算机行业日益增长的能源需求。传统上，工程师认为只有激光才能以极高的数据传输速率和超低能耗进行通讯。而此次研发的单一模式LED能发射单一波长的光，与激光十分相似，能像激光一样执行相同任务，且消耗的能量更低。　　研究人员在新装置的中心，插入了若干座砷化铟“小岛”。当电脉冲通过时，它们能产生光。这些“小岛”的周围包裹着光子晶体(在半导体上蚀刻的微孔阵列)，能像镜子一般将光线弹射聚集至装置的中央，使它们囚禁于LED内，并被迫按单一频率产生共鸣，从而形成单模光。　　现有设备基本是由激光发光器与外部调制器两个装置构成。两种装置都需要消耗电力，而新款二极管将发光器和调制器的功能整合到一个装置内，大大降低了耗能量。科学家表示，新款设备可达到目前最高效设备能源效率的2000倍至4000倍。平均而言，新款LED装置能以每比特0.25飞焦(10-15焦耳)的耗能量传输数据，而当下典型的低能耗激光设备也需要消耗500飞焦来传输单个比特，其他技术则耗能更多。

p　　西安交通大学电信学部陈烽教授团队与香港城市大学王立代博士团队合作，提出一种全新“压缩超快时间光谱成像术”(简称超快压缩成像)，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，成功捕获到光子的运动。相关成果近日发表在《物理评论快报》上。/pp　　西安交大科研人员提出的这种新型的超快成像技术是探知各种未知瞬态过程的一项关键核心技术，如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程等。超快压缩成像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。超快压缩成像的超高帧率可以达到3.85THz(1THz=1012Hz)，和亚纳米级超高光谱分辨率。研究人员通过这种超快压缩成像技术实时记录了飞秒激光脉冲的传播、反射以及自聚焦等持续时间达到33皮秒的超快物理过程。/pp　　超快压缩成像的基本原理是飞秒激光时间—光谱相互耦合原理，它的实现主要是通过3个关键步骤，首先是利用飞秒激光丰富的频率成分，通过色散将不同的波长在时域上拉伸，形成一个叫做“啁啾脉冲”的高速时间序列。第二步是这个拉伸的时间序列与测量的瞬态过程进行相互作用。这样，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。进而对这一时间序列进行二维的空间编码，并利用色散将不同的光谱信息压缩在一个二维平面上并采用CCD采集，最终利用算法将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。/pp　　该成果使得长时间、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。/pp　　此外，《自然》(Nature)以研究亮点(Research Highlights)形式对该研究成果进行了专题报道，文章标题为《4万亿帧每秒的速度去捕捉光的运动》。同时，美国物理学会官网《APS物理》(APS Physics)也做了焦点专题报道，文章标题为《聚焦：4万亿帧频的电影》。西安交通大学与香港城市大学联合培养博士生陆宇为本文第一作者，西安交通大学陈烽教授和香港城市大学王立代博士为本文共同通讯作者。西安交通大学是本文第一作者单位。/pp　　《自然》报道链接：/pp　　https://www.nature.com/articles/d41586-019-01625-5/pp　　美国物理学会官网《APS 物理》报道链接：/pp　　https://physics.aps.org/articles/v12/55/pp　　《物理评论快报》原文链接：　　　　　　　　　　　　/pp　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.193904/pp /p

近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队与美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授团队等开展合作，基于自主开发的4D超快透射电镜，观测到了银膜上飞秒激光诱导表面等离激元的分布及动力学过程，为等离激元器件的设计和应用提供了指导。该研究于近日以“Nanoscale-Femtosecond Imaging of Evanescent Surface Plasmons on Silver Film by Photon-Induced Near-Field Electron Microscopy”为题，发表在国际重要学术期刊《Nano Letters》。近年来，付学文教授研究团队与合作者在4D超快透射电镜中发展了基于自由电子-光子强相互作用的光子诱导近场电子显微镜（PINEM）技术，并提出了一种新型双色光子超快泵浦-探测方案，将四维超快电镜的时间分辨提升了一个数量级（达到50飞秒），在飞秒与纳米时空尺度揭示了单个Mott绝缘体VO2纳米线的绝缘体-金属相变动力学过程（Nat. Commun. 2020, 11, 5770）。在本工作中，研究团队进一步用PINEM成像技术研究了银膜上表面等离激元的分布及超快动力学过程。表面等离激元是金属表面自由电子的集体共振振荡，可以将光限制在非常小的尺寸，实现在纳米尺度操纵光场。这些独特的优点使得表面等离激元在表面增强拉曼光谱、传感器、光伏器件和量子通信等领域具有广阔的应用前景。由于银纳米结构具有从可见光到近红外光范围内可调谐的表面等离激元共振特性，因此被认为是最重要的表面等离激元材料之一。银纳米结构表面等离激元的共振特性可以通过改变其形态、大小和其他参数来调节。为了更好地设计和使用等离激元器件，理解表面等离激元的产生、传播和衰减过程是至关重要的。然而，所有这些过程都发生在飞秒的时间尺度和纳米的空间尺度上。因此，以合适的时空分辨率直接表征和捕获不同银纳米结构的表面等离激元具有重要的意义。研究团队利用配备了电子能量损失谱仪的4D超快透射电子显微镜，通过PINEM技术研究了银膜上飞秒激光（波长515 nm）诱导的表面等离激元。实验得到的电子与表面等离激元近场相互作用后的能谱呈现出典型的PINEM能谱特征：电子能谱零损失峰（ZLP）两侧出现一系列离散的峰，其间隔为入射光子能量的整数倍，意味着电子在与表面等离激元近场相互作用中吸收或放出了多个光子（图1a）。通过改变泵浦激光的能量密度并对电子能量谱中的PINEM部分积分， 他们发现PINEM强度首先随激光能量密度线性增长，在15mJ/cm2达到饱和（图1a、b）。在15mJ/cm2的入射激光能量密度下，通过改变激光的偏振研究了PINEM强度的偏振依赖性。发现与纳米线、纳米棒等结构的偏振依赖性不同，激光偏振方向的改变不会影响银膜上的PINEM强度（图1c）。图1：a、不同入射激光能量密度下的电子能谱；b、相对PINEM强度与入射激光能量密度的关系；c、PINEM强度与入射激光偏振方向的关系。通过只选择吸收光子能量的电子进行能量过滤成像，他们直接观测到了表面等离激元的空间分布，并通过改变入射激光的偏振方向揭示了激光偏振方向对表面等离激元分布的影响（图2a）。表面等离激元在产生后首先沿着激光的偏振方向传播，然后在垂直于偏振方向的晶界处发生散射，在能量过滤图像中表现为偏振依赖的条纹。通过改变激光脉冲和电子脉冲之间的时间延迟，他们跟踪了光激发表面等离激元随时间的演化，实现了在纳米飞秒尺度对表面等离激元的直接可视化（图2b）。图2：a、t=-1.2 ps（左）和t=0 ps（中、右）时的能量过滤图像，激光偏振方向如绿色箭头所示；b、不同时间延迟下的能量过滤图像，其中激光脉冲的偏振方向与a（中）的偏振方向相同。棒状纳米结构的PINEM效应被广泛用于识别4D超快电镜中泵浦激光脉冲和探测电子脉冲的时空重叠。但是在这些实验中激光脉冲的偏振应该垂直于纳米结构的纵向轴，以最大限度地提高近场激发，这就使得这种方法在实际使用中受到一定限制。相比之下，银膜的PINEM信号不存在偏振依赖性，即入射飞秒激光的偏振可以是任意方向的，这使得银膜成为识别4D超快电镜时间零点的更好平台。此外，能量过滤PINEM图像上观察到的条纹也可能与光诱导周期表面结构(LIPSS)的机理有关，而LIPSS的形成过程是一个复杂的非平衡过程，其物理机制尚不清楚。鉴于PINEM成像的高时空分辨率，未来可进一步用PINEM技术从实验上探索LIPSS的物理机制。该研究工作不仅为各种微纳结构与超材料的表面等离激元分布及动力学研究提供了高时空分辨手段，同时对于银膜表面等离激元的激光能量密度和偏振依赖性，以及超快动力学过程的研究结果对微纳尺度表面等离激元器件的设计和应用具有重要指导意义。南开大学物理科学学院付学文教授为论文第一作者兼通讯作者，Yimei Zhu教授为共同通讯作者，南开大学2020级硕士生孙泽鹏为共同一作，南开大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、天津市科技局、中央高校基础研究经费等的大力支持。（戴建芳）视频S1：通过 PINEM 成像 ( AVI )获得的飞秒激光激发下银膜上消逝表面等离激元的时间演化视频 S2：通过 PINEM 成像 ( AVI ) 获得的飞秒激光激发下银膜上消逝表面等离激元的时间演化，其中激光偏振与视频S1 中的偏振正交。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04774付学文，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，南开大学超快电镜实验室负责人，国家“四青”人才，天津市杰出青年基金获得者，担任国家重点研发计划青年首席科学家，入选2021强国青年科学家提名。2014年博士毕业于北京大学凝聚态物理专业（导师：俞大鹏教授），曾先后在美国加州理工学院和美国布鲁克海文国家实验室从事研究工作。2019年受聘于南开大学物理科学学院，建立了南开大学超快电子显微镜实验室和超快动力学研究团队，长期从事4D超快电子显微镜、超快阴极荧光等超高时空分辨电子成像与探测技术开发及其在低维量子功能材料的结构、载流子及自旋等动力学中的应用研究，在国际上率先发展了液相4D超快电镜技术、双色近场光学超快电镜技术和基于微波脉冲电子发生器的新型4D超快电镜技术。在Science、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、PNAS等具有影响力的国际期刊发表学术论文近50篇，其中第一/通讯作者论文26篇，申请发明专利5项。

为进一步加强科技前瞻研判，引领原创性科研攻关，打造学术创新高地，推进科技自立自强，按照《中国科协办公厅关于征集2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题的通知》 (科协办函创字[2023]8号)文件要求，中国光学工程学会面向国内外科技组织和科技工作者，共征集58个全球共同关注的前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题。经过专家委员会函评和终审评议，共评选出15个前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题。本次评选出的5个前沿科学问题中，第一个就是超分辨率成像技术，该技术在近几年得到了快速的发展，目前已经有多项科研转化成果成功产业化。5个前沿科学问题1、如何突破时-空极限实现超快超分辨成像？How to break through the spatio-temporal limit to achieve ultrafast and super-resolution imaging?2014年诺贝尔奖授予了将光学显微带入纳米尺度的超分辨荧光成像技术，但其依赖于荧光标记，且时间分辨率较低。压缩超快成像技术兼具飞秒时间分辨率和极高数据压缩比，但以牺牲空间分辨率来观测超快动态过程。发展超快超分辨成像技术，在无标记宽场成像下实现时-空分辨率的协同突破，将极大推动人类对各类超快微观现象的认知，助力“追光捕快、察微显纳”的新成像体系建设。2、人们能以多高的自由度塑造光？How arbitrarily can light be shaped?自从认识光现象起，人们便尝试不断改变光的“造型”。从早期的透镜聚焦光能，到现代显微技术中的复杂结构光、激光雷达形貌测量中的点阵投影等，还有精细激光加工中超长焦深的贝塞尔光束、具有弯曲空间传播轨迹的艾利光束等。对光的塑造能力越高、对其利用程度也越高。为此，应从原理上探索塑造光的极限，即人们能以多高的自由度塑造光？3、光学系统的体积极限是多小？What is the volume limit of an optical system？光学元件的性能在很大程度上受到可用光学材料和结构设计的限制。基于超表面的平面光学器件以及各类新型微纳元件有望将核心光学元件缩小到几百微米级别，相比传统复杂光学系统体积显著减小了六个数量级。但如何确定具有特定功能的光学系统的体积理论极限还有待研究，从而进一步实现微型化、微型化与集成化，将在AR/VR、遥感探测及未来纳米科技等领域产生巨大影响。4、光电子芯片的集成度极限是什么？What is the limit of photonic integration? 面向未来十年或更长远时间，光电子芯片集成度的增长会遇到瓶颈，相应的容量要扩展到Pb/s量级会遇到许多根本性的限制。本科学问题涉及芯片容量、尺寸、功耗三个方面的理论和技术的极限，需要在超宽带透明光电材料、高集成度器件中的光场调控、高效率低功耗调谐机理等方面研究变革性的新原理和新技术。5、如何使光计算完备？How to make optical computing complete？采用光学方法来实现运算处理和数据传输是后摩尔时代算力、功耗问题极具潜力的解决途径之一。光子具有光速传播、抗电磁干扰等特性，以及具有天然的多维复用和并行计算优势，十分契合人工智能等应用领域大数据处理的需求。但目前光子计算面临着很多挑战，例如光子芯片的集成度仍有待提高；计算精度仍低于电子芯片，器件架构未优化，上述挑战亟需研究5个工程技术难题1、如何实现EW超强激光？How to create EW ultra-intense laser？依托我国神光装置，攻克甚多束超短脉冲激光高效优质相干合成、超高信噪比管控、等离子体压缩等核心难题，突破EW超强激光高增益、高品质、高负载三大受限条件，国际上率先实现EW级峰值功率激光输出，率先进入超相对论物理等前沿基础研究领域，辐射带动平均功率万瓦级超短激光技术发展和应用。2、如何构建超大型空间光学装置？How to construct the ultra-large space optical instrument?超大型空间光学装置是当前世界宇航企业重点发展的综合性大系统工程方向。在轨组装和维护则是构建超大型空间光学装置的重要技术途径，即将系统的各个组成模块发射入轨，再利用空间操控工具对各个模块进行在轨组合和装配。该技术的实现将引领弹性可重构光学遥感系统的跨越式发展，并为未来空间飞行器维护与服务奠定技术基础。3、如何实现高功能密度感存算一体光电集成芯片？How to realize that photoelectric integrate chip with high functional density sensing and memory integration？能够执行探查、识别、飞行、定向打击等任务的微型机器人对功耗、尺寸、功能要求十分苛刻。现有设备集成化程度低，处理数据量大，成像体制单一，无法实现一体化探查。为解决这些问题，可采用感存算一体化仿生架构，突破光电融合集成、智能感知处理等关键技术，挖掘低频有效信息，降低能耗压力，实现高功能密度、极小型化、极低功耗的一体化光电集成芯片。4、如何实现在原子、电子本征尺度上的微观动力学实时、实空间成像？How to achieve real-time and real-space imaging of microscopic dynamics on the intrinsic scale of atoms and electrons?原子、电子是自然界许多现象的核心，其结构及运动状态决定了所构成物质的宏观特性。原子、电子的运动发生在飞秒至阿秒的超快时间尺度以及皮米的超小空间尺度上，因此，需要同时具备“皮米空间分辨率”与“阿秒时间分辨率”的阿秒电子成像技术以实现对原子-亚原子微观世界中超快动力学过程的探测与控制，揭示材料中各种功能的微观起源。5、如何实现高时空分辨率的全球重力梯度测量？How to retrieval high time and spatial resolution global gravity gradient？地球重力场是地球的基本物理场之一，反映了地球表层及内部物质的空间分布、运动和变化，同时也决定着大地水准面的起伏和变化。利用高精度冷原子重力梯度仪对全球的重力梯度进行高时空分辨率的测量，可以更好地监测揭示海洋环流活动规律，全球陆地水储量变化，冰盖和大型冰川系统的质量平衡，为人类未来的生存和发展制定科学的应对策略。5个产业技术问题1、如何打造成熟的硅基光电异质集成工艺平台，支撑新一代信息技术发展的需求？How to build the accessible platform for optoelectronic heterogeneous integration based on silicon photonics, to facilitate the development of next-generation information technology?随着AI、下一代数据中心、激光雷达、卫星通信等战略应用迅速发展，单一集成光子材料已不能满足产业需求。以III-V半导体、薄膜铌酸锂为代表的硅基光电异质集成可融合多种光电功能材料的优势，将成为高端光子芯片在上述应用领域的重要解决途径。鉴于光电异质集成国际竞争态势，我国迫切需要提升高端异质集成光子芯片的研发及产业化能力，支撑产业发展。2、如何突破激光时空特性测试计量短板难题？How to break through the difficult problem of measuring the spatial and time domain parameters of lasers？2022年，激光产业销售收入大于800亿。然而，支撑我国激光产业发展的激光参数测试仪95%依赖进口，年高达3亿元。特别是激光时域和空域参数测试计量缺失，全部依赖德国、美国、加拿大等仪器。典型的包括：测量皮秒、飞秒和阿秒的自相关仪、FROG和SPIDER等；千瓦级功率激光光束质量测试仪等。测试仪器短板，风险大，是急需攻关的问题。3、中高端传感器如何实现自主可控？How to achieve self- production and controllability of medium and high-end sensors？传感器是物理与数字世界纽带，万物互联基石，对国力有重要影响。目前我国低端传感器产能过剩，中高端传感器自主可控率低。小到手机摄像头、大到汽车发动机，中高端传感器严重限制了我国产品市场竞争力。传感器专业点多面广，对材料、集成电路等基础工业水平要求高。如何实现中高端传感器自主可控是一个关键产业技术难题。4、如何谱写智能网联汽车的“中国方案”？How to compose the "Chinese Approach" for intelligent connected vehicles？智能化、网联化已成为各国汽车产业博弈未来的战略制高点，李克强院士提出了智能网联汽车的中国方案—“车路云一体化融合系统控制”的技术路线。在路侧通过将激光雷达、毫米波雷达和摄像头融合在一体，具备全天候全息环境感知能力，并有传输延迟低、覆盖范围广、数据精度高、易维护安装的特点，可以解决交通拥堵、交通事故两大核心痛点，进一步提升我国交通信息化、智能化。5、如何突破反谐振空芯光纤降损及大规模工业化制备难题？How to break through the loss-reducing and massive industrial manufacture of anti-resonant hollow-core fiber？作为近半世纪光通信行业基础媒介的实芯光纤正面临容量与时延两项限制。反谐振空芯光纤在理论损耗、带宽、非线性和介质光速等方面全面优于实芯光纤，将对光纤、光器件、光网络系统形成颠覆性变革，有望构建下一个50年的光通信生态。其理论损耗极限、将损耗降至可商用水平并实现大规模工业制备，是亟待突破的技术和产业问题。

光子晶体又称光子禁带材料。从结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其物理思想可类比半导体晶体。通过设计，这类晶体中光场的分布和传播可以被调控，从而达到控制光子运动的目的，并使得某一频率范围的光子不能在其中传播，形成光子带隙。 光子晶体中介质折射率的周期性结构不仅能在光子色散能带中诱发形成完整的光子带隙，而且在特定条件下还可以产生一维（1D）手性边界态或具有Dirac（或Weyl）准粒子行为的奇异光子色散能带。原则上，光子晶体的概念也适用于控制“纳米光”的传播。该“纳米光”指的是限域在导电介质表面的光子和电子的一种耦合电磁振荡行为，即表面等离子体激元（SPPs）。该SPP的波长，λp，相比入射光λ0来说多可减少三个数量。如果要想构筑纳米光子晶体，我们需要在λp尺度上实现周期性介电结构，传统方法中采用top-down技术来构建纳米光子晶体，该方法在加工和制造方面具有较大的限制和挑战。 2018年12月，美国哥伦比亚大学D.N. Basov教授在Science上发表了题为Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者利用存在于转角双层石墨烯结构（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫尔（moiré）超晶格结构，成功构筑了纳米光子晶体，并利用德国neaspec公司的neaSNOM纳米高分辨红外近场成像显微镜研究了其近场光导和SPP特性，证明了其作为纳米光子晶体对SPP传播的调控。 正常机械解理的双层石墨烯是AB堆叠方式，但是，当把其中的一层相对于另一层旋转一个角度，就会形成AB和BA堆叠方式相间排列的莫尔超晶格结构，AB畴区和BA畴区之间是AA堆叠方式的畴壁，如图例1A所示。如果通过门电压对该双层石墨烯施加一个垂直电场，会在AB畴区和BA畴区打开一个带隙，从AB畴区到BA畴区堆叠次序的反转连同能带结构的反转则会在畴壁上形成拓扑保护的一维边界态，如图例1C。一维边界态的存在会使得畴壁上光学跃迁更加容易，表现为畴壁上增强的光导能力。研究者通过德国neaspec公司的neaSNOM高分辨率散射式近场红外光学显微镜对样品进行近场纳米光学成像，在近场光学振幅成像中观察到了转角双层石墨烯上六重简并的周期性亮线图案，成功可视化了这种光导增强的孤子超晶格网络。从近场光学振幅成像上可以看到孤子超晶格周期长度大约为260nm，据此，研究者推断对应的转角大约为0.06°。 图例1：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）对转角双层石墨烯（TGB）进行近场纳米光学成像研究的结果。A:实验示意图（AB,BA,和AA表示石墨烯不同堆叠类型）；B：近场纳米光学振幅成像及TEM图；C:畴壁上电子能带结构。 不仅孤子超晶格的周期性和等离激元的波长相匹配，而且之前的研究表明，双层石墨烯中的孤子对SPP具有散射行为，转角双层石墨烯中规律的孤子结构所形成的周期性散射源恰好满足了作为纳米光子晶体的条件。接下来研究孤子超晶格对SPP的光子晶体效应，实验中研究者利用neaSNOM近场光学显微镜的针作为SPP发射源，并通过改变门电压和入射光波长改变SPP的波长，在该器件上同时得到了两组近场光学振幅图和相位图(如图例2B和2C)。从图中可以看到，λp=135 nm和λp=282 nm的情况下，近场光学振幅图和相位图表现出截然不同的周期性明暗图案，这种周期性明暗分布正是SPP在孤子超晶格传播过程中干涉效应的显现，近场光学振幅图、相位图和理论计算结果显示出的吻合性。对近场光学成像的傅里叶变换使得研究者可以进入动量空间研究其光子能带结构，结合模拟计算，对光子能带结构的研究表明，虽然孤子对SPP的散射较弱，还不足以形成纳米光学带隙，但是转角双层石墨烯中SPP的传播毫无疑问符合纳米光子能带色散行为。 图例2：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）研究石墨烯超晶格中等离激元（SPP）传播近场光学成像结果。A,C: 通过改变门电压和入射光波长，λp分别为135nm和282nm下近场光学成像结果（同时获得近场光学振幅成像和相位成像）；B,D: 模拟计算结果。 在该项工作中，研究者利用转角双层石墨烯设计实现了石墨烯SPP纳米光子晶体，并利用德国neaspec散射式近场光学显微镜从几个途径进行了研究。先，畴壁区域增强的光导响应来源于孤子的一维拓扑边界态，neaSNOM近场光学显微镜以高的分辨率可视化了孤子超晶格网络。其次，双层石墨烯纳米光子晶体的主要参数（周期性、能带结构）可以通过改变转角角度和静电场等实现连续调控，这可以突破标准top-down或光刻等技术来构筑纳米光子晶体的限制和挑战。在电中性点附近，孤子被预言具有拓扑保护的一维等离激元模式，此时，双层石墨烯纳米光子晶体作为一维等离激元的二维网络载体，可能会展现出很有意思的光学现象。 特别值得指出的两点是：1.即使研究者通过0.06°的超小转角制造了高达260nm的孤子超晶格周期长度，如果没有neaSNOM近场光学显微镜高的空间分辨率（取决于针曲率半径，高可达10nm），清晰地看到孤子超晶格网络依然是非常困难的。2.neaSNOM近场光学显微镜具有的伪外差相位解调模块，可以同时实现高信噪比下的近场光学信号振幅成像和相位成像。该项工作中实验结果和模拟计算结果的吻合很好地证明了这一点。作为二维材料纳米光学领域为专业的研究工具，neaspec近场光学显微镜已经助力国际和国内多个研究机构在为的杂志发表了诸多研究成果。不仅是在纳米光学成像领域，neaspec开放兼容的设计使得它在纳米傅里叶红外光谱（nano-FTIR）、太赫兹（THz）、拉曼、荧光、超快、光诱导等多个领域均有广泛应用。

北京时间10月3日17时50分许，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献。2023年每项诺贝尔奖的奖金也由去年的1000万瑞典克朗，增加到1100万瑞典克朗，约合人民币720万元。“阿秒”是时间单位，即10-18秒。按照时间长短划分，从秒开始依次是毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)、阿秒(10-18秒)。而“阿秒光脉冲”就是指持续时间在阿秒量级的光脉冲。如此短的脉冲持续时间也为其带来了重要的应用。对此，诺贝尔奖给出的获奖理由如下：获奖理由：三位2023年诺贝尔物理学奖获得者因其实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier已经证明了一种制造超短光脉冲的方法，可以用来测量电子移动或改变能量的快速过程。当人类感知到快速移动的事件时，它们会相互碰撞，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒——阿秒如此之短，以至于一秒钟内的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。获奖者的实验产生了短到以阿秒为单位测量的光脉冲，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。1987年，Anne L’Huillier发现，当她将红外激光传输通过稀有气体时，会产生许多不同的光泛音。每个泛音是激光中每个周期具有给定周期数的光波。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出去。Anne L’Huillier继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。2001年，Pierre Agostini成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。与此同时，Ferenc Krausz正在进行另一种类型的实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。获奖者的贡献使人们能够对以前无法遵循的快速过程进行调查。诺贝尔物理学委员会主席伊娃奥尔森表示：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制。下一步将利用它们。”。在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为很重要。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。魏志义：我国激光产业发展迅速，未来可期实际上我国也一直在阿秒激光领域深耕，培养了一批杰出的科研人员。当前国内研究超快激光和阿秒激光的主要代表人物是来自中国科学院物理研究所的魏志义研究员，主要研究领域为超短超强激光物理与技术，包括飞秒激光放大的新原理与新技术、阿秒激光物理与技术、光学频率梳及应用等。魏志义研究员长期致力于超短脉冲激光技术与应用研究，主要成果有：提出了高对比度放大飞秒激光的一种新方法，得到同类研究当时国际最高峰值功率的PW（1015瓦）超强激光输出，创造了新的世界纪录；发明了同步不同飞秒激光的新方案，研制成功综合性能国际领先的同步飞秒激光器；建成国内首个阿秒（10-18秒）激光装置，得到了脉冲宽度小于200阿秒的极紫外激光脉冲；发展了新的光学频率梳技术，研制成功综合性能先进的系列飞秒激光频率梳；利用新的脉冲压缩技术与国外同事一起获得了亚5fs的激光脉冲，打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；研制成功系列二极管激光直接泵浦的新型全固态超短脉冲激光，开发成功多种飞秒激光产品并提供国内外多家用户。仪器信息网在世界光子大会上有幸采访了魏志义研究员。魏志义表示，超快激光（即超短脉冲激光）领域激光领域前沿研究主要关注如何实现越来越窄的激光脉冲宽度，窄的激光脉冲可以用于物质中分子、原子甚至电子的运动过程研究，因为运动过程决定了物质的一些规律和属性。科研人员关注的另一方面是激光功率，更高功率的激光可能用于武器、加工、医疗等领域。功率方面的研究主要包括峰值功率和平均功率，其中峰值功率研究我国处于世界前列。魏志义在采访中表示其对高频功率非常关注和感兴趣。谈到国内在相关领域的前沿研究进展时，魏志义表示，我国在激光领域具有比较好的基础，与国外水平接近，虽然在整体上还有较大差距,但在部分领域有所领先。在超快脉冲激光方面，我国上世纪八九十年代与国际水平差距并不大，如西安光机所、天津大学、中山大学做得都非常不错。当前超快激光脉冲突破到阿秒量级，国内包括物理所在内的一些单位也拥有产生阿秒脉冲激光的能力，可以用来开展研究工作。在激光高频功率方面，上海光机所等单位在峰值功率研究上已达国际领先水平，并将国际水平推向了新的高度。据介绍，物理所十多年前在峰值功率方面取得了很好的研究成果，做到了当时国内最好也是国际上最高的的峰值功率。但在高频功率方面我国还是与国外有较大差距，特别是在产业方面。魏志义建议，接下来不仅要在极端指标方面，还要在可靠稳定性、高频功率方面做出突破，更好的提供给广大用户开展应用工作。魏志义也强调，我国当前在超快激光研究方面有些落后，但也在奋起直追，跟国际最高水平相比有一定差距，在高频物理方面，工业应用方面差距更大。但同时，魏志义表示这些年我国激光产业发展非常迅速，未来可期。

角分辨光电子能谱仪（ARPES）因其具有能量和动量分辨能力，是探测材料能带结构的重要手段。随着超快激光技术的不断发展，结合泵浦-探测技术的超快角分辨光电子能谱仪（TR-ARPES）由于兼具时间分辨能力，可以用来探测非平衡态的电子能带信息，因此近年来备受人们的重视。特别是基于高次谐波产生（HHG）的TR-ARPES还具有光子能量高、光子能量可调谐的优点，使得其探测范围可以覆盖到大范围布里渊区，在电荷密度波（CDW）材料、过渡金属二硫化物（TMD）材料的超快动力学过程研究中具有重要的作用。　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究组（EX7组）的博士生陈发民、潘默君、刘俊德在钱天研究员和运晨霞副主任工程师的指导下，研制成功国内首台基于高重复频率、高通量高次谐波光源的超快角分辨光电子能谱仪（HHG-TRARPES），并通过了专家的现场测试（图1）。该仪器系统配备了六轴低温样品台，DA30半球分析器，极限真空优于10-10torr，最低温度小于6K，其光子能量连续可调（20-60eV），重复频率为0.4MHz。第18阶次光子（21.6eV）的能量分辨率为109meV，时间分辨率为120fs，样品位置处的光通量约为1011ph/s，综合参数达到世界同类型设备的一流水平。此外，全设备接入自主开发的控制系统，实现了集成化、智能化、便捷化操作，时间和角度联动扫谱，内置真空自锁与保护功能。目前实验装置已经进入稳定运行阶段，实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态和电荷密度波材料1T-TiSe2能带动力学演化过程的测量（图2和图3）。这一设备的搭建完成，填补了国内相关领域的空白，为未来研究量子材料中电子的超快动力学过程、未占据态以及新型电子态提供了关键的实验平台。　　这项工作及相关研究得到北京市科委、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和中国科学院科研仪器设备研制项目等项目的大力支持。高次谐波光源部分得到光物理重点实验室L07组赵昆副研究员、魏志义研究员及联培博士生王佶、许思源等人的密切协助与配合（详细信息请见：科研进展∣高重复频率极紫外相干光脉冲的产生）。图 1：实验室设备全图图 2：拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态的测量图 3: CDW材料1T-TiSe2的能带动力学过程（T=87K）图 4：集成控制系统

项目编号：TDZC2022J0013项目名称：天津大学AIE研究院超快系统-共聚焦荧光显微成像系统采购项目预算金额：315.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：315.0000000 万元（人民币）采购需求：序号产品名称数量简要技术规格备注1超快系统-共聚焦荧光显微成像系统1该系统具有双光子成像和单光子共聚焦成像功能，能够对特定厚度材料及特定量子点探针进行激发成像，成像深度是普通单光子共聚焦10倍左右，在活体高分辨成像中广泛应用。单光子共聚焦具有高分辨成像能力，能够对材料、细胞及生物组织样品进行3D高分辨切片扫描及重构。应能够通过可见激光对，活细胞、组织和切片进行连续扫描，获得精细的单个细胞或一群细胞的各个层面结构（包括染色体等）的三维图像。可利用荧光标记测定细胞内如钠、钙、镁等离子浓度的比率、动态变化及pH值的动态变化。 合同履行期限：收到信用证后120天内交货及到货15天内完成安装调试并具备验收条件等本项目( 不接受 )联合体投标。

人类一直在追求捕捉物体运动更快的画面，比如骏马疾驰，一直是令人赞叹的画面。然而，由于骏马奔跑时的速度实在太快，人类用肉眼很难捕捉到清晰的画面；再比如，一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而对于人类来说只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作…人类一直在探索自然界的瞬态过程，陆续达到毫秒量级、微秒量级、纳秒量级、皮秒和飞秒的时间分辨。纳秒量级约等于10的负9次方秒，皮秒约等于10的负12次方秒，飞秒等于10的负15次方秒。其中，观测分子的转动和振动过程、电子从激发态回到基态的弛豫过程，就需要皮秒到飞秒量级的时间分辨。更进一步，要观察电子甚至原子核内的运动过程，就需要时间分辨率进一步达到阿秒（10的负18次方级秒），甚至仄秒（相当于10的负21次方级秒）。回顾历史，诺贝尔奖的赋予更是加持了科学家对其的热爱。1999年，诺贝尔化学奖颁发给了致力于时间分辨率上的超快光谱探测技术的科学家；2023年，诺贝尔物理学奖授予皮埃尔阿戈斯蒂尼、费伦茨克劳斯和安妮吕利耶三位科学家，以表彰他们在阿秒光脉冲方面作出的贡献。在阿秒研究中，我国科学家也取得了重大进展。据悉，2013年，中国科学院物理研究所魏志义课题组实现了160 as孤立阿秒脉冲测量实验结果，这是我国在阿秒科学领域的重大突破。随后，华中科技大学、国防科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队也先后实现了阿秒激光脉冲的产生和测量……据了解，阿秒脉冲光技术是人类目前所掌握最快的时间尺度。它就像一把尺子，尺子刻度越细，可测量的精度就越精细。更重要的是，这为超快光谱探测技术提供了新的时间分辨率——依靠更快的速度，人类可以观测定格到更加清晰细小的微观世界。而所谓超快光谱探测技术，就是指利用脉冲激光器对样品进行激光刺激，并用激光对刺激后的样品进行探测，以研究样品在极短时间内的光物理、光化学和光生物反应的一种方法。超快光谱探测技术将人类自然科学的研究带入了一个更快的世界，已经成为研究物质激发态能级结构及弛豫过程的强有力工具，是研究反应动力学的科研利器，该测试技术近年在Nature、Science等国际顶刊上频频出现，已成为热点话题。那么，超快光谱目前的发展情况如何？可以解决哪些关键问题？有哪些最新的研究成果？2024年7月16-19日，由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国科学院物理研究所、中国遥感应用协会高光谱专业委员会、南通长三角智能感知研究院等协办的“第十三届光谱网络会议, 简称iCS2024”将拉开帷幕。会议期间，多位超快光谱相关专家将在云端开讲，超快光谱相关仪器技术及前沿应用不容错过。立即报名》》》中国科学院物理所 魏志义 研究员《超快激光及应用》（2024年7月16日开讲 点击报名）魏志义，中国科学院物理研究所研究员。1991年4月于中科院西安光机所获得博士毕业，1991年至1997年中山大学博士后并出站后留校工作。1997年5月调入中国科学院物理研究所，1999年晋升研究员。长期致力于超快激光技术及应用研究，曾先后在英国、香港、荷兰、日本等国家和地区合作研究，多项成果打破世界纪录，率先在国内开展了光学频率梳研究，首次在国内产生阿秒脉冲。迄今发表SCI论文400余篇，授权发明专利30余项，国际会议邀请报告100多次，作为第一完成人获国家技术发明二等奖（2018）及中国科学院科技进步二等奖（2000）、科技促进二等奖（2014）等奖项。是中国科学院青年科学家奖（2001）、国家杰出青年基金（2002）、胡刚复物理奖（2011）获得者。因在超高强度飞秒激光、超快光子学等研究方面的重要贡献，先后当选美国光学学会fellow及中国光学学会、中国光学工程学会会士。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室 陈缙泉 教授《利用时间分辨手性光谱表征伴随激发态电子和能量传递过程中的手性产生和放大过程》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）陈缙泉教授，本科毕业于南京大学，博士毕业于Ohio State University，毕业后分别在Montana State University 和Emory University开展博士后工作，2015年加入华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室。主要研究方向是发展高灵敏的多维时间分辨瞬态光谱技术，利用该技术研究生物大分子与功能染料分子中激发态动力学过程，重点关注分子体系中电荷/能量转移、系间穿越、电子自旋轨道耦合等过程的关联和相关过程的调控，并开发和设计新型的光动力学疗法药物，近年来工作已在 Science, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Chem等国际一流期刊发表，目前共发表论文130余篇。近5年主持了多项国家基金委面上项目和国家自然科学基金重大研发计划重点项目，入选2016年国家高层次人才计划，2019年上海市青年科技启明星计划。【摘要】手性的产生、传递和放大可视为手性物质与外界的一种能量交换方式，该方式一方面直接受其构型或构象影响，另一方面又与电子自旋翻转、电-磁场相互作用、电子/能量转移等物理过程息息相关。对于手性产生、传递、放大和调控的物理机制和规律的研究正由传统的宏观稳态层面深入到新兴的微观瞬态层面，理论研究还有待深入，实验研究还有待突破。为了解析分子和超分子体系中手性的产生和传递机理，该课题组研发了飞秒时间分辨圆二色吸收光谱（fs-TRCD）和飞秒-纳秒圆偏振发射光谱（TR-CPL）技术，实现了分子体系激发态手性产生和传递过程的精密测量。基于实验结果，发现和总结了分辨分子体系基态和激发态手性的光谱学方法，并阐明了不同分子体系中CPL产生和传递的物理机制，为后续多层次手性分子材料的精准构筑奠定了理论基础。中国科学院物理研究所 陈海龙 研究员《飞秒宽带瞬态荧光光谱仪及其应用》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）陈海龙，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。2006年本科毕业于北京大学物理学院，2011年于中科院物理研究所获得光学博士学位，随后进入美国莱斯大学化学系从事博士后研究。2016年加入中科院物理研究所软物质物理实验室任副研究员，2022年起任中科院物理研究所研究员。主要研究方向为发展和建立多种先进超快光谱技术，并用以探索各类低维光电材料、纳米半导体光催化材料以及光合膜蛋白等体系内各种超快光转换动力学过程。在国际/国内核心期刊上发表论文100余篇。【摘要】基于非共线光参量放大原理的飞秒时间分辨瞬态荧光光谱仪具备高时间分辨、高增益、宽测量带宽以及低探测极限等诸多优点，是研究各类光化学及光物理等超快动力学过程的一个重要测量手段。参量超荧光环（即真空量子噪声参量放大信号）的强度涨落是非共线光参量放大飞秒瞬态荧光光谱仪的主要噪声来源，并因此极大限制其对微弱瞬态荧光信号的检测能力。他们将传统的荧光点状非共线光参量放大的光学构型升级为环状的锥形参量放大构型，即利用整个参量荧光环进行荧光放大。基于量子噪声涨落空间独立性的特点，新的光学构型可以将量子噪声进行全环空间平均以极大提高瞬态荧光光谱测量的信噪比。利用此技术，他们实现了对叶绿素分子激发态以及多种光合蛋白体系瞬态荧光光谱的实验观测，并以此揭示了其中的能量转移、电荷分离、振动冷却等多种超快动力学过程。振电（苏州）医疗科技有限公司 首席执行官/CEO 王璞 《超高灵敏瞬态吸收在分子互作上的应用》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）王璞，博士，现任北京航空航天大学生物与医学工程学院特聘教授、生物医学高精尖中心研究员，博士生导师，入选第十四批国家海外青年人才项目。王璞本科毕业于复旦大学物理系，2009-2014年博士就读于普渡大学生物医学工程学院，师从于非线性成像专家程继新教授。博士期间主要工作是生物光子学医疗器械的开发以及非线性显微镜的开发与应用。已发表SCI论文20余篇，专利5项。王璞以第一或通讯作者在Nature Photonics，Science Advances，Light：Science & Applications, Nano letters等领域内一流期刊均有发表。王璞曾主持开展多项美国小企业创新奖励基金（SBIR/STTR award），并代领团队完成多项科研转化工作。其中包括相干拉曼显微镜的产业化，光声成像在乳腺以及心血管的器械转化等等。目前王璞教授主要研究工作为非线性拉曼显微镜的开发以及在先进材料、单细胞代谢的表征方案，以及光致超声器件在生物医学中的应用。同时担任振电（苏州）医疗科技有限公司CEO，致力于开发推广最先进的分子光谱成像技术。【摘要】蛋白分子互作检测是研究蛋白质与其它分子之间相互作用的一系列技术和方法。这些方法能够揭示适体分子如何结合并影响蛋白质。微尺度热泳（MST）是一种基于热泳现象的溶液中分子亲和性定量检测方法，通常所需样本量小，检测通量大，速度快，且样品处理步骤简单，但依赖于荧光标记或蛋白自发荧光来检测温度梯度下的浓度变化。中国人民大学化学与生命资源学院讲师王豪毅 博士《时间分辨光谱助力光合作用三重态光保护研究》（2024年7月17日上午开讲 点击报名）王豪毅，2013年于华东理工大学获得理学学士学位，2018年于中国人民大学获得理学博士学位。2018-2020年于中国科学院物理研究所从事博士后研究工作，2021-2023年于中国人民大学从事博士后研究工作，2023年任职中国人民大学化学与生命资源学院。主要从事自然光合作用体系超快激发态动力学行为，人工光合体系光电转换机理研究，关注超快激光光谱技术和方法。【摘要】光合作用是地球生命体中最为重要的生物化学反应，从微观层面揭示高效光合作用的物化反应机制，是光转换领域的重要课题。高等植物和藻类光合作用体系中捕光复合物II（LHCII）三聚体在猝灭过剩能量过程中扮演重要角色，其中的核心色素分子为叶绿素和类胡萝卜素。叶绿素单重态（1Chl*）经系间窜越转换到叶绿素三重态（3Chl*）的量子效率高于60%，而3Chl*敏化产生单线态氧1O2的效率接近于100%。所以，通过3Chl*向类胡萝卜素分子（Car）传能成为高等植物和藻类重要的光保护策略。本报告将讲解时间分辨光谱助力光合体系3Chl*特征的观测结果，此部分3Chl*会被O2猝灭形成活性氧物种（ROS），而此类ROS可作为生物适应性进化的信号分子而发挥正向作用。进一步揭示高等植物菠菜与海洋绿藻假根羽藻中，蛋白结构、色素组成与相应类胡萝卜素三重态3Car*猝灭性质的内在关联，并深入探究了相应3Car*猝灭受O2可及性的影响。为进一步认识3Car*光保护机制并深入理解光合生物光保护生理功能提供新认识。作为应用最广泛的仪器类别之一，光谱仪器及技术的发展一直备受业界的关注。特别值得一提的是，随着科技的发展，相关光谱新技术、新应用层出不穷，特别是拉曼、近红外、LIBS、太赫兹、高光谱，以及超快光谱、微型光谱等一直备受关注。不仅如此，现场快检、过程监控、实验室高通量分析在实践中的作用也越来越凸显。与此同时，随着大数据时代的到来，光谱技术与人工智能的结合也已经成为推动各行各业发展的强大引擎，开启一个全新的智能光谱时代！可以说，兼具实用和前沿，全球百亿光谱市场酝酿着无限的生机和活力。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国科学院物理研究所、中国遥感应用协会高光谱专业委员会、南通长三角智能感知研究院等协办的“第十三届光谱网络会议, 简称iCS2024)”将于2024年7月16-19日召开。点击立即报名，免费参会》》》报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2024/

近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队成功研制并报道了国际首套超快扫描电子显微镜（SUEM）与超快阴极荧光（TRCL）多模态载流子动力学探测系统。该系统在飞秒超快电子模式下实现了空间分辨率优于10 nm，SUEM成像和TRCL探测的时间分辨率分别优于500 fs和4.5 ps，各项技术性能和参数指标达到国际领先水平。该团队利用该多模态载流子动力学探测系统在飞秒与纳米时空分辨尺度直接追踪了n型掺杂砷化镓（n-GaAs）半导体中的光生载流子的复杂动力学过程，结合SUEM成像和TRCL测量成功区分了其表面载流子和体相载流子的动力学行为，全面直观地给出了其光生载流子动力学的物理图像。该仪器系统的成功研制填补了我国在该技术领域的空白，为研究和解耦半导体中复杂的光生载流子动力学过程提供了一个强有力的高时空分辨测量平台，将为新型半导体材料与高性能光电功能器件的开发提供重要支撑。该研究近日以“A femtosecond electron-based versatile microscopy for visualizing carrier dynamics in semiconductors across spatiotemporal and energetic domains”（一种基于飞秒电子的可用于跨时空和能量维度可视化半导体载流子动力学的多功能显微镜）为题，发表于重要国际学术期刊《Advanced Science》。半导体光电材料与器件的功能和性能主要取决于其材料表/界面的载流子动力学过程，例如光伏与光电探测器件需要增强其界面光生载流子的分离与传输，抑制载流子的复合，而发光器件则要增强其界面载流子的辐射复合，抑制非辐射复合。这些载流子的动力学过程多发生在表/界面处，且动力学过程快至皮秒乃至飞秒量级，因此以超高的时间、空间以及能量分辨率测量半导体材料表/界面载流子不同类型的动力学过程对于现代半导体器件的研发及应用起着至关重要的作用，尤其是对于一些低维、高速、超灵敏的半导体光电器件。当前，研究半导体光生载流子动力学的时间分辨探测技术主要有瞬态吸收显微镜（TAM）及光谱、时间分辨近场扫描光学显微镜（NOSM）、时间分辨阴极荧光（TRPL）、时间分辨光发射电子显微镜（TR-PEEM）等。然而，光学衍射极限限制了这些技术的空间分辨率，并且激光较大的作用深度使得测得的动力学信号主要来自材料内部的平均载流子动力学信息，很大程度上掩盖了来自表面或界面载流子的贡献，且单一的探测手段难以同时给出载流子不同类型的动力学信息。因此，为了全面表征半导体材料的载流子动力学，特别是表/界面载流子的动力学，亟需发展一种在时空间和能量维度上同时具有超高分辨率并且兼具高表面敏感特性的超快探测手段。图1. 仪器系统的示意图和时空分辨性能表征。（a）超快扫描电镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统的示意图。其中包含飞秒光学系统、扫描电镜系统、阴极荧光收集系统、条纹相机以及液氦低温台。图中左上角分别为金刚石微晶的扫描电镜图、阴极荧光强度分布图像、阴极荧光光谱以及n型GaAs在77 K下的条纹相机图像 （b）传统模式下锡球标样的SEM图 （c）和（d）不同放大倍数下锡球标样的飞秒脉冲电子图像，表明飞秒脉冲电子模式下良好的成像质量，其空间分辨率优于10 nm。（e）初始红外飞秒激光脉冲的脉宽；（f）超快扫描电子成像的时间分辨率测试，其仪器相应函数（IRF）大约为500 fs；（g）超快阴极荧光探测的时间分辨率测试，其IRF约为4.5 ps。随着超快电子显微镜技术的蓬勃发展，超快扫描电子显微镜（SUEM）和超快阴极荧光（TRCL）技术也迅速兴起，两者都同时兼具超短脉冲激光的超快时间分辨率和电子显微镜的超高空间分辨率。其中SUEM技术是基于泵浦-探测原理，用一束可见波段飞秒激光激发样品表面产生光生载流子，另一束同步的紫外飞秒激光激发扫描电子显微镜的光阴极产生飞秒脉冲电子进行扫描成像。由于扫描电子显微镜主要收集来自距离样品表面几个纳米范围内的二次电子信号，使得超快扫描电子显微镜技术具有表面敏感特性，能够直接对半导体材料表面或界面光生载流子（电子和空穴）的时空演化动力学进行成像。然而，该技术无法直接区分辐射复合与非辐射复合动力学过程。TRCL技术是用聚焦的飞秒脉冲电子束激发样品产生瞬态荧光，用条纹相机或时间相关单光子计数器对瞬态荧光进行测量，具有能量敏感特性，且信号绝大部分来源于材料体内，可直接反映载流子的辐射复合行为。因此，SUEM和TRCL在功能上形成良好的互补，将两者有机结合有望实现在超高的时空和能量分辨下全面解析半导体材料表/界面和体相载流子的动力学信息。鉴于此，付学文教授团队将飞秒激光、场发射扫描电子显微镜和瞬态荧光探测模块相结合，研制出了国际首套超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统（如图1示意图和图2实物图所示），实现了对半导体材料表/界面和体相载流子动力学过程的高时空分辨探测和解析。图2. 超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统实物照片。图3. 利用该系统对n型GaAs单晶表面的SUEM成像和TRCL测量结果。（a）n型砷化镓表面测量得到的随时间演化的SUEM图像；（b）从图（a）中光激发区域提取的二次电子强度演化及相应的载流子演化时间常数；（c）表面载流子的空间分布随时间的演化；（d）从297 K到77 K的变温时间积分CL光谱；（e）和（g）在图（a）的SUEM测试区域中分别探测得到的297 K和77 K下的条纹相机图像；（f）和（h）分别从（e）和（g）中提取的带边发射的衰减曲线及相应的荧光寿命。为展示SUEM成像与TRCL探测在超高时空和能量分辨率下直接可视化并解耦半导体中复杂激发态载流子动力学过程上的独特优势，该团队利用该自主研发的多模态实验装置研究了n型GaAs中的载流子动力学。如图3所示，SUEM图像表明由于表面能带弯曲效应，飞秒激光作用后表面光生载流子发生快速分离使空穴向表面富集。通过分析随时间变化的SUEM图像，提取出了光生载流子不同阶段的衰减时间常数；同时通过计算表面空穴分布的均方根位移，揭示了对应不同阶段表面空穴随时间的超扩散、局域化和亚扩散过程。通过进一步分析室温和液氦温度下测量的条纹相机图像中相应的非平衡载流子复合动力学过程和寿命，不但区分出了体相和表面载流子动力学过程的差异，还揭示了上述表面载流子的空间演变过程分别对应于能量空间热载流子冷却、缺陷捕获和带间/缺陷辅助辐射复合过程。该工作阐明了表面态和缺陷态对半导体表/界面载流子动力学的重要影响，展示了超快扫描电子显微镜和超快阴极荧光多模态动力学探测系统在超高时空尺度解耦半导体表/界面和体相载流子动力学中的独特优势。南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学物理科学学院博士生张亚卿和博士后陈祥为该论文共同第一作者，南开大学付学文教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、天津市科技局、中央高校基础研究经费等的大力支持。文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202400633

近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。为帮助广大用户及时了解小动物活体成像前沿技术、产品与整体解决方案，仪器信息网特别制作【小动物活体成像技术创新突破进行时】专题，并策划“小动物活体成像技术”主题征稿活动，以期进一步帮助广大用户从多维度深入了解小动物活体成像技术应用、主流品牌、市场动态以及相关内容。本期约稿特别邀请超维景生物科技有限公司研发总监胡炎辉，就小动物活体成像技术发展、市场规模及未来趋势进行分享，并就超维景生物科技在面对小动物自由运动活体成像瓶颈取得的突破性进展。 本期嘉宾：胡炎辉，超维景生物科技有限公司 研发总监 胡炎辉，超维景生物科技有限公司研发总监。2018年毕业于北京大学，电路与系统专业，曾参加基金委国家重大仪器专项，负责逻辑控制、微弱信号探测及系统设计，在激光扫描显微成像、微弱信号探测及高速信号处理等技术方向有着多年的积累。2017年至今，作为超维景核心创始团队成员之一，参与公司技术专利20余项，开发了新一代双光子成像处理平台，推出了科研、医疗等多款多光子产品，具有丰富的产学研融合开发及落地经验。——01—— 从单光子到多光子成像，推动活体成像技术发展在医学和生命科学研究的领域内，不断的革新和突破在成像技术方面是推进科学发展的关键，同时也是推动新的生物学发现和进步的重要引擎。其中，多光子成像技术通过激光与生物样本内的分子和原子相互作用产生荧光反应，以荧光显微的形式，允许我们以无损害的方式直接观察到组织的内部结构。尽管生物样本本身对光有较好的透光性，它们也具有强烈的散射特性。通常，细胞水平的高分辨成像技术在生物组织中的穿透深度“软极限”大约为1mm。不过，使用更长波长的激光可以减小对光的散射，并且增强穿透力。多光子吸收提供了一种非线性的荧光激活方法，其中双光子和三光子吸收的波长分别是单光子激发的两倍和三倍。与单光子相比，多光子成像可以实现几乎10倍的成像深度增强。这种非线性激发方法也带来了更高的信号-背景比及更优秀的层析成像能力。所有这些成像上的优势使得多光子成像特别适合用于复杂条件下的活体成像研究，成为一种在这些应用中非常重要的工具。Winfried Denk于1990年在康奈尔大学发明了世界上第一台双光子激光扫描显微镜。而自21世纪初以来，随着超快激光技术的突破及商业化，双光子显微成像技术迅速成为最广泛使用的活体动物成像方法。特别值得提及的，超维景的创始人程和平院士早在1992年就开始涉足双光子显微技术，成为最早的技术参与者之一，并致力于推广这一技术。历经近三十年的发展，双光子显微成像技术已变得在脑科学研究中不可或缺。尽管传统的台式双光子显微镜分辨率高，但它们体积庞大且重量重，需将实验动物固定或麻醉以完成成像，因此无法适用于自由活动的动物。微型单光子成像技术可以实现对自由活动的小鼠进行成像，但它在分辨率和对比度方面相对较低，难以达到亚细胞级别的分辨率和三维成像效果。——02——直面脑科学研究自主研发工具挑战，2.2克微型化双光子显微镜“轻装上阵”打造用于全景式解析脑连接和功能动态图谱的研究工具是当代脑科学的一个核心方向。针对如何在自由行为动物上绘制大脑神经元功能图谱的难题，超维景团队研发出了头戴式2.2克微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠大脑神经元和突触水平钙信号功能成像，为脑科学研究提供了革命性的新工具。这项技术解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术，入选“2017年度中国科学十大进展”，并被评为Nature Methods“2018年度方法”。依托此技术建成“南京脑观象台”，为中国脑计划提供了“人无我有”的支撑平台；专利技术的产业转化实现高端显微成像装备自主创制的突破，完成对欧美国家的整机出口，累计实现销售额过亿元。通过技术拓展，研发了应用于人体的手持式双光子显微镜，在临床医学与航天医学中具有巨大的应用前景。为病理诊断技术带来一种全新的手段，成为临床疾病精准检查的重要工具。这项技术成果属于国家基金委重大仪器专项转化的科技成果，是国家在高端装备研发方向投入的典型产出代表。除了在脑科学、医疗应用领域的技术贡献之外，同时彰显了中国也可利用具有自主知识产权的国际领先的技术，实现在高端仪器方向的突破，提振了中国科学家在高端仪器装备方向的研究信心，并以此为核心技术来推动国内以及国际的科学研究大计划，对国内的脑科学研究领域也起到积极引领作用。——03——深耕小动物自由运动活体成像，持续提升核心竞争力超维景公司始创于2016年，公司核心力量来自北京大学院士创建和领导的多学科交叉团队，是一家专注于高端生物医学成像设备研发、生产和销售的国家高新技术企业。2017年，超维景核心团队成功研制仅2.2g的超高时空分辨微型化双光子显微镜，在国际上首次获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像，被评为“2017年度中国科学十大进展”和《Nature Methods》“2018年度方法”（无限制行为动物成像），开启自由活动动物成像新范式，研究成果可应用于脑认知基本原理研究、脑重大疾病机理研究和脑疾病的药物研究，本技术进一步可应用于临床实时在体无创细胞级检测。部分获奖照片“微型化”是指将显微镜做到拇指大小，可以佩戴在小鼠头上，同时不影响小鼠的自由活动，进而观察小鼠在觅食、社交、睡觉等自主行为时大脑神经元的真实活动和功能连接。超维景的微型化显微镜体积微小，让小鼠能够“戴着跑”，实现了自由行为动物的清晰稳定成像，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，观察神经突触、神经元、神经网络等的动态变化，从而获取小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动的动态图像。2.2g微型双光子荧光显微镜2021年，团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力，原始论文发表于《Nature Methods》。2023年2月，团队将微型化探头与三光子成像技术结合，成功研制微型化三光子显微镜，重量仅为2.17克，并在 《Nature Methods》 发表文章。一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 《Nature Methods》发表相关技术成果2023年2月，神州十五号航天员乘组使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨实验任务并取得成功，是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮千层的三维图像，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。图为神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜2023年12月，由超维景公司自主研发的在体双光子显微成像系统获批上市，是中国首个基于双光子显微成像原理的医疗器械。本次研发是首次实现脑科学技术跨学科助力皮肤检测的技术应用，将最前沿的双光子显微成像技术引入现代皮肤医学检测领域，实现“实时、无创、在体、原位、无标记”的高分辨率皮肤细胞及胞外组织三维成像，为患者和医生带来便利。——04——布局微型化多光子产品体系，开启自由行为动物显微成像新范式解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，但传统的多光子显微镜进行常规脑成像通常需要将动物的头部固定在台式显微镜上，这严重限制了模式动物的自由生理状态。为此需要打造自由行为动物佩戴式显微成像类研究工具。基于团队及技术发明，超维景已布局微型化多光子成像产品体系，并成功实现多款产品的产业化，包括SUPERNOVA-100一体式微型化双光子显微镜、SUPERNOVA-600集成式微型化双光子显微镜与SUPERNOVA-3000微型化三光子显微镜等，解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术。超维景微型化多光子显微成像系列产品，可以在微观尺度上、不干扰自由运动动物行为的前提下，对大脑神经元和神经突触进行无创性观察和实时、动态成像，为研究神经科学、行为学、认知科学等多个领域提供了新的视角和手段，从而为脑健康研究开辟新的道路。树突棘成像 单树突棘级分辨率 神经元轴突与亚细胞结构成像 ——05——持续加码小动物自由运动活体成像系统“科研+临床”的广阔应用脑科学机理研究。大脑是一个极度复杂的器官，目前，各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中，如何打破尺度壁垒，融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息，是领域内亟待解决的一个关键挑战。要想实现动物在体脑功能实时成像的研究，能够观察到整个皮层甚至更为深入的其他脑区，涉及到仪器开发、手术技术、生物研究等等不同的方面领域，技术挑战非常大。为了真正解密大脑的工作原理和流程，人们需要在对大脑神经元高分辨成像的同时，被观察者能够自由的正常活动，也就是最理想的脑功能成像需要被观察者在自由运动状态下进行脑功能观测。脑疾病机理研究。目前一些重要的脑疾病，如自闭症、精神类疾病、老年痴呆症等都是全世界的难题。以老年痴呆症为例，根据得病率统计，85岁以上老人中的 50%患有老年痴呆。预计到2050年，中国将有近1亿患者的生活需要照顾、需要医疗系统的救助，这是严重的社会负担。通过本技术对脑科学疾病研究，如果有新发现，对于老年痴呆症，就可能找到早期诊断的方法，早发现、早干预，把严重症状出现期从85岁延缓到95岁，社会负担就可以大大减轻，提高国民生活质量。神经药物筛选。微型化双光子显微镜不仅可以“看得见”大脑工作的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。而此类疾病的药物开发，由于缺少快速直接的药效反馈手段，而大大受阻。微型化双光子技术的应用将极大的推动此类神经疾病药物的开发进程，为人类脑疾病的诊断和治疗提供新的手段。携手全球合作伙伴，携手共谋发展。微型化多光子成像系统已获得国内的上亿元订单，以及国外的数千万元订单。其中，国内用户包括北京大学、中科院上海神经所、中科院深圳先进技术研究院、复旦大学、上海交通大学、西湖大学、中山大学、华南理工大学、南京脑观象台等。国外用户包括加州理工、纽约大学、德国马普神经所、德国波恩大学、德国马普鸟类研究所等。未来，超维景将在多光子显微成像技术继续深挖“科研+临床”的广阔应用，这将作为神经探索领域的引路明灯，照见更多未知的领域。参考文献：• Zhao, C., et al. (2023). Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection. Nat Methods, 2023 Apr 20(4):617-622.• Zong, W., et al., Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods, 2021. 18(1): p. 46-49.• Zong, W., et al., Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods, 2017. 14(7): p. 713-719.

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心盛志高研究团队等采用超快时间分辨泵浦探测技术，在SrTiO3晶体中实现了由超快相干声子诱导的GHz频率的双折射调制，其工作频率远超现今商业光弹调制器的截止频率。相关研究成果发表在《先进科学》(Advanced Science)上，并申请了发明专利。具有双折射效应的特定材料能塑造光。基于双折射调制技术工作的光弹调制器是现代光学技术的核心元件之一。目前的光弹调制器多借助压电材料提供的机械应力，来驱动光弹晶体实现双折射调制，其工作频率受限于光弹/压电晶体的谐振频率，一般为kHz量级。随着高频信号处理和高频光通信的需求不断涌现，亟需研发具有GHz工作频率的双折射材料与调制技术。针对这一现状，盛志高课题组与合作者经过大量材料筛选与技术探索，借助强磁场磁光实验室中的超快泵浦-探测系统，在钙钛矿SrTiO3晶体中发现了由超快相干声子诱导的GHz光学双折射效应，并实现了对其进行光学操控。研究团队在换能器/SrTiO3异质结构中，使用超快激光脉冲产生了具有低阻尼的相干声学声子。经过系列材料筛选，研究发现LaRhO3半导体薄膜作为换能器层能获得相对较高的光子-声子能量转换效率。进一步，研究在优化的异质结构中发现，超快相干声学声子可以在应力敏感的SrTiO3晶体中诱导出具有GHz频率的光学双折射。同时，研究团队通过双泵浦技术实现了对相干声子及其诱导的GHz双折射的光学操纵。这揭示了超快光学双折射调制的一种机制，并为GHz高频声光器件的应用奠定了技术基础。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、强磁场安徽省实验室方向基金和合肥大科学中心高端用户培育基金的支持。左图：激光诱导的声学声子激发SrTiO3晶体GHz双折射原理示意图；右图：不同晶体取向的SrTiO3晶体GHz双折射调制。

近日，中国科学院专家组对中国科学院超快诊断技术重点实验室进行了现场评估。专家组听取了实验室的工作报告和学术报告，现场考察了实验室，实地了解了实验室的学科建设、科研进展、仪器设备、科研团队建设等情况，查阅了实验室的实验记录、设备运行记录和有关规章制度，并与科研人员进行了交流，对有关问题进行了质询并给予了客观、公正的评价。　　中国科学院超快诊断技术重点实验室自2008年12月正式运行以来，面向国家战略需求，围绕超快光电器件及系统、超快过程及激光参数诊断和高速目标特征信息光电获取与处理，开展应用基础研究、技术前沿研究和关键技术攻关，在高时空分辨分幅成像、超快扫描成像诊断和强激光驱动器激光参数诊断、单光子计数成像探测技术等方面取得了一批创新成果 并在超快诊断新方法、新技术与新器件等方面进行了前瞻性部署。　　实验室定位准确，研究方向符合院和依托单位的总体规划与布局，发展目标合理，管理运行规范，重视安全保密 依据学科发展与研究工作特点，积极开展了国内外合作交流，注重仪器设备的开放共享 学术委员会发挥了积极作用，依托单位支持有力，总体发展态势良好。 　　专家组还对实验室存在的问题提出了意见和建议，希望实验室在下一阶段进一步加强高层次人才培养和引进以及进一步加强基础前沿部署和发展战略研究。此次现场评估，对于实验室得全面健康发展，具有重要指导意义和作用。

角分辨光电子能谱仪（ARPES）具有能量和动量分辨能力，是探测材料能带结构的重要手段。随着超快激光技术的发展，结合泵浦-探测技术的超快角分辨光电子能谱仪（TR-ARPES）由于兼具时间分辨能力，可用来探测非平衡态的电子能带信息，备受关注。基于高次谐波产生（HHG）的TR-ARPES还具有光子能量高、光子能量可调谐的优点，使得其探测范围可覆盖大范围布里渊区，在电荷密度波（CDW）材料、过渡金属二硫化物（TMD）材料的超快动力学过程研究中具有重要作用。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究组（EX7组）博士生陈发民、潘默君、刘俊德，在研究员钱天和副主任工程师运晨霞的指导下，研制出国内首台基于高重复频率、高通量高次谐波光源的超快角分辨光电子能谱仪（HHG-TRARPES），并通过了现场测试（图1）。该仪器系统配备了六轴低温样品台、DA30半球分析器，极限真空优于10-10torr，最低温度小于6K，其光子能量连续可调（20-60eV），重复频率为0.4MHz。第18阶次光子（21.6eV）的能量分辨率为109meV，时间分辨率为120fs，样品位置处的光通量约为1011ph/s，综合参数达到世界同类型设备的一流水平。此外，全设备接入自主开发的控制系统，实现了集成化、智能化、便捷化操作，时间和角度联动扫谱，内置真空自锁与保护功能。目前，实验装置已进入稳定运行阶段，实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态和电荷密度波材料1T-TiSe2能带动力学演化过程的测量（图2、3）。这一设备的搭建完成，为未来研究量子材料中电子的超快动力学过程、未占据态及新型电子态提供了关键的实验平台。研究工作得到北京市科学技术委员会、国家自然科学基金委员会、中科院战略性先导科技专项（B类）、中科院科研仪器设备研制项目等的支持。高次谐波光源部分得到光物理重点实验室（L07组）副研究员赵昆、研究员魏志义及联合培养博士研究生王佶、许思源等的协助。图1 实验室设备全图图2 拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态的测量图3 CDW材料1T-TiSe2的能带动力学过程（T=87K）图4 集成控制系统

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得重要进展，率先实现了室温下对低成本溶液法制备的胶体量子点的自旋相干操控。这一成果在量子信息科学、超快光学相干操控等领域具有重要意义。 　　量子信息技术是指以微观粒子(或准粒子)的量子态表示信息，并利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。对固态材料中的自旋量子比特进行相干操控，是实现量子信息技术的重要途径之一。目前已报道的相关固态体系主要包括外延生长量子点以及“点缺陷”材料(如金刚石色心等)。然而，外延生长量子点的制备工艺复杂、造价昂贵，且其自旋操控一般需要在液氦温度下进行。虽然“点缺陷”自旋的室温相干操控已被实现，但如何规模化、可控地制备这类材料是巨大挑战。因此，若能在室温下实现低成本材料的自旋相干操控，对量子信息技术的发展将产生深远影响。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。这类量子点不但可用相对温和的化学法在溶液中宏量制备，而且其限域效应强，光电、自旋等性质精准可调。尤其是近年来兴起的铅卤钙钛矿量子点，其旋轨耦合效应特别有利于通过光学方法高效注入自旋极化，同时其强烈的光-物质相互作用可促进自旋的光学相干操控。研究团队近期也在CsPbI3钙钛矿量子点中观测到激子自旋的系综量子拍频并解析了其物理机制(Nat. Mater. 2022)。 　　在本工作中，考虑到量子点中的电子-空穴交换作用导致了复杂的激子裂分及光学取向行为，研究团队创新性地制备了钙钛矿量子点的单空穴自旋极化态，并基于自行研制的多脉冲飞秒磁光技术实现了室温相干操控。团队通过在CsPbBr3量子点表面化学修饰蒽醌分子，在亚皮秒尺度捕获量子点的光生电子，猝灭电子-空穴交换作用，在室温下得到百皮秒量级的空穴自旋，在外加磁场下，该空穴自旋发生拉莫尔进动；借助一束亚带隙光子能量的飞秒脉冲，利用光学斯塔克效应产生赝磁场，成功实现了对空穴自旋的量子态相干操控。考虑到自旋相干寿命在百皮秒量级，借助百飞秒(约为0.1皮秒)级的激光脉冲，研究人员在自旋退相干之前原则上可开展上千次的有效操控。 　　相关文章以“ Room-temperature coherent optical manipulation of hole spins in solution-grown perovskite quantum dots ”为题，于近日发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。该工作的共同第一作者是大连化物所1121组博士生蔺煦阳、韩瑶瑶博士。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金及大连化物所创新基金的支持。

近日，浙江大学李尔平、林宏焘团队提出了一种新的“鲁棒-逆向”设计方法，并首次实现中红外超紧凑硫系光子器件。新的设计方法避免了传统的中红外光子学器件设计钟一直依赖于基于直觉的缺陷，同时也解决了传统逆向设计方法所面临的对于工作条件和加工误差敏感的低鲁棒性劣势。相关工作以“Compact Mid-Infrared Chalcogenide Glass Photonic Devices Based on Robust-Inverse Design”为题发表于期刊Laser & Photonics Reviews。浙江大学信电学院博士生林晓斌为论文第一作者，李尔平教授和林宏焘研究员为本文的共同通讯作者。中红外集成光学器件在红外成像、化学、生物传感，光通信等方面具有极高的应用价值。而硫族化合物玻璃由于其极宽红外透明度、极高的非线性系数，长期以来一直被视为中红外集成光子学的理想材料。传统的中红外硫系光子器件的设计依赖于规则的几何结构，停留在经验为主导的手工设计上。逆向设计能够使用更复杂的优化算法并自动搜索结构，虽然给器件的设计带来革命性地便利，但是也受限于优化时间过长、局部最优和低鲁棒性的缺点。而随着工作波长的增加和折射率的降低，相比于近红外的光学系统，硫系光子器件的发展受限于过大的器件尺寸和不完善的工艺体系。近年来，逆向设计方法在纳米光子学中得到了广泛的应用。其中，基于梯度的逆向设计方法虽然能够显著降低计算成本，但是由于优化问题往往是高度非凸，器件设计面临着局部最优的困境，设计的结果往往对于加工和工作条件敏感。在本文中，研究团队创新性地将逆向设计和鲁棒设计相融合，将加工误差、工作条件变化以概率密度函数的形式具现。通过在优化过程中引入扰动，在保证与传统逆向设计方法几乎相同优化时间的前提下，将器件设计的鲁棒性提升了十倍。图1. (a)“鲁棒-逆向”设计算法流程图；(b)”鲁棒-逆向”设计算法（红色区域）和逆向设计算法（蓝色区域）的鲁棒性分析对比图；(c)不同加工误差下鲁棒-逆向设计算法和逆向设计算法的器件性能对比。基于上述方法，研究团队展示了四种不同功能的超紧凑的中红外硫系光子器件：偏振分束器、波导偏振器、模式转换器件和波分解复用器。对于偏振分束器，团队实现了262 nm的宽带特性（消光比大于20 dB，插损小于1dB）；对于波导偏振器件，团队展示了一个带宽为147 nm，消光比25.86 dB的器件设计；还实现了一种带宽为400nm的超宽度的中红外模式转换器件（插损小于1 dB）和一种连接近红外和中红外光波段的波分解复用器件（消光比大于20 dB；近红外：374nm；中红外：360 nm）。实验结果很好地证实了器件性能，同时也是上述该类型中红外硫系逆向设计器件地首次实现。图2. 中红外硫系光子器件结构示意图：(a)偏振分束器；(b) 波导偏振器；(c) 模式转换器件；(d) 波分解复用器该工作首次提出了一种“鲁棒-逆向”设计方法，并实验展示多种不同功能的中红外硫系光子学器件，不仅实现了极高的器件性能，同时保证了对于加工和材料误差的高鲁棒性，为中红外硫系光子器件的发展提供了一条通用的路径。此外，该方法适用于更多场景，有望在可重构器件、非线性光学、光计算等领域带来新的发展。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然基金等项目的资助。西湖大学李兰研究员、北京大学胡小永教授、宁波大学戴世勋研究员等老师给予了该工作极大的支持。

2023年2月23日，北京大学程和平-王爱民团队在 Nature Methods 在线发表题为 Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection 的文章。 文中报道了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜（图1），首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 图1 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图 解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，为此需要打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具。2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代 2.2 克微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。 微型化三光子显微镜突破成像深度极限 海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型化单光子及微型化多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。此次，北京大学最新研发的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：1、显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录（图2）。神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。2、在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型化三光子显微镜可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，且不产生明显的光漂白与光损伤。图2 微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。 全新的光学构型设计 北京大学微型化三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计。（图3）图3 微型化三光子显微镜光学构型 通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。 生物应用 同时，利用微型化三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码。（图4）这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。 图4 小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆任务中的不同反应类型北京大学未来技术学院博士后赵春竹、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈诗源、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风为该论文的共同第一作者，北京大学程和平、王爱民、赵春竹为论文的共同通讯作者，北京超维景生物科技有限公司胡炎辉、李谊军、陈燕川、付强、高玉倩、江文茂、张颖也参与了此项工作的开发。该项目得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程—脑疾病的线粒体机制研究创新单元、国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划等经费支持。超维景一直致力于前沿生物医学成像技术的产业转化，为推动生命科学的研究与发展提供优质的、系统化的解决方案。 经过多年的沉淀 我们即将推出自主研发的最新一代微型化三光子显微成像系统敬 请 期 待 ！Nature Methods 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01777-3

引言：10月10日上午，Photonics Insights 的直播专场上，南京大学李涛教授以“一段成像技术的非凡旅程——从超透镜到超构透镜”为题，系统的阐述了超构成像领域的科学本源及最新的产业化进展，为观众呈现了一场精彩纷呈的知识盛宴。在此之前，美国超构表面光学元件供应商 Metalenz 和中国 VCSEL 供应商纵慧芯光公司联合推出了新型图案投影仪 Orion，该产品的创新之处在于将 VCSEL 与超构表面光学元件相融合，为用户提供了高性能、更紧凑、低成本的结构光解决方案。Orion 的推出标志着超构透镜的产业化进入一个新的阶段。图1：Metalenz和纵慧芯光的合作（图片来源：Metalenz官网）李涛教授表示：颠覆传统光学的新型成像架构在研究者的持续努力下日臻成熟，越来越多的创新企业正加入超构表面光学的变革性应用之中，各种新场景、新构型层出不穷，加速从实验室到量产的进程已成为行业共识。伟大的科学家开尔文爵士曾说过：“无法测量就无法改进”，发展测量技术成为打通超构表面光学元件从设计到量产的关键一环。 为什么说无法测量就无法改进？ 测量对集成电路的发展至关重要。由于晶体管的形貌直接影响器件的半导体特性，因此对形貌的微观量测（Metrology）成为集成电路制造的关键工艺。然而与集成电路芯片不同的是，超构表面光学器件的局域结构变化并不造成器件光学性能的全局影响，仅观察器件的微观形貌不足以反映其质量，这在引入拓扑光子结构之后尤为如此。2021年，一篇发表于 Light: Science & Application，题为 Phase characterisation of metalenses 的研究论文表明，相位分布才是反映超构透镜光学性能的本质属性，通过测量相位，能够从全局上表征器件的光学性能，从而为设计优化与工艺改进提供直接反馈。图2：集成电路中的测量（图片来源：KLA官网）相位测量，超构透镜产业化进程的推动力让我们通过一个例子来探讨这一问题。两个超构透镜样品 Metalens A（简称A）和 Metalens B（简称B），我们利用扫描电子显微镜（SEM）对二者进行了微纳结构的测量，如图2所示。从 SEM 图可以看出，A样品局部的纳米柱子形状相互连接，呈现出不规则的形状，而B样品的纳米柱子相对独立，形状较为完整。从 SEM 的结果来看，B似乎更优，但在光学性能方面的二者具体表现如何，以及如何进一步优化，这些问题仅通过 SEM 的结果无法直接解答，我们需要深入研究它们的内在光学属性。图3：Metalens A和Metalens B的SEM图接下来，我们测量了这两个超构透镜样品调控的相位分布，如图4所示。从结果我们不难发现，无论是A还是B，其相位都呈现出圆环状分布，但值得注意的是，A的相位分布中缺陷相对较多。通过与理想超构透镜相比（图4），我们可以明显看出，A的相位分布梯度不够明显，相位范围也未覆盖 2π，而B的相位范围覆盖了 -π 到 π，且相位梯度更为明显，说明B的性能比A更优。图4：MetalensA和MetalensB实验测得的相位分布图5：MetalensA和MetalensB实验测得的相位分布x截面与理想值的对比从图5结果我们不难发现，对于微观结构测量结果较优的B样品，其相位分布与理想值相比也有较大的差距，特别是在透镜中央区域，相位分布几乎为一个常数，缺乏明显的相位梯度。通过重新检查设计图，发现造成实测相位分布与理想值差距较大的原因是透镜在中央区域的设计上仅使用了同一个参数的纳米柱子，无法构建相位梯度分布，需要优化设计，并且在制备加工上需要进一步优化工艺。这些实验结果表明，只有通过准确测量超构表面光学元件的相位属性，我们才能全面理解其性能，进而实现对超构表面光学元件的有效改进。MetronLens：超构透镜光学检测的智能化平台MetronLens 超构透镜光学检测系统， 深刻揭示了超构表面、超构透镜、微透镜阵列等平面光学元件的内在物理特性，为验证设计的准确性、制备加工工艺的优化提供了强有力的检测工具。图6：MetronLens超构透镜光学检测系统这一系统综合了显微成像技术、离轴数字全息技术以及远场成像技术等多种先进技术。通过宽波段色差校正和消像差设计，实现了在微米尺度下 400~1700nm 的三维光场分布、相位分布和远场分布的原位检测。此外，该系统还具备对焦距、波相差、泽尼克像差、点扩散函数（PSF）、调制传递函数（MTF）、斯特列尔率、数值孔径等关键性能指标的分析功能。图7：超构透镜的光场分布检测结果图8：多类型超构透镜样品的快速检测 图9：相位分布的3D展示图10：相位解包裹的3D展示推荐阅读：[1] Zhao M, Chen M K, Zhuang Z P, et al. Phase characterisation of metalenses[J]. Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 52.[2] Li T, Chen C, Xiao X, et al. Revolutionary meta-imaging: from superlens to metalens[J]. Photon. Insights, 2023, 2: R01.[3] Chen M K, Liu X, Wu Y, et al. A meta‐device for intelligent depth perception[J]. Advanced Materials, 2023, 35(34): 2107465.[4] Khorasaninejad M, Chen W T, Devlin R C, et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging[J]. Science, 2016, 352(6290): 1190-1194.[5] Shen Z, Zhao F, Jin C, et al. Monocular metasurface camera for passive single-shot 4D imaging[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 1035.

阿贡纳米材料中心的超快电子显微镜，图片自：阿贡国家实验室每个去过大峡谷的人都能体会到靠近自然边缘的强烈感受。同样，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们发现，当接近一层单原子厚的碳薄膜(石墨烯)边缘时，金纳米颗粒会表现异常。这可能对新型传感器和量子设备的发展产生重大影响。这一发现是通过美国能源部科学用户设施办公室——阿贡纳米材料中心 (CNM) 新建立的超快电子显微镜 (UEM) 实现的。UEM能够实现在纳米尺度和不到一万亿分之一秒的时间尺度内的可视化和现象研究。 这一发现可能会在不断发展的等离子体领域引起轰动，该领域涉及光撞击材料表面并触发电子波，称为等离子体场。多年来，科学家们一直致力于开发具有广泛应用的等离子体设备——从量子信息处理到光电子学（结合光基和电子元件），再到用于生物和医学目的的传感器。为此，他们将具有原子级厚度的二维材料（例如石墨烯）与纳米尺寸的金属颗粒相结合。而要想理解这两种不同类型材料的组合等离子体行为，就需要准确了解它们是如何耦合的。在阿贡最近的一项研究中，研究人员使用超快电子显微镜直接观察金纳米颗粒和石墨烯之间的耦合。“表面等离子体是纳米粒子表面或纳米粒子与另一种材料界面上的光诱导电子振荡，”阿贡纳米科学家Haihua Liu说， “当我们在纳米粒子上照射光时，它会产生一个短寿命的等离子体场。当两者重叠时，我们 UEM 中的脉冲电子与这个短寿命场相互作用，电子要么获得能量，要么失去能量。然后，我们收集那些使用能量过滤器获得能量的电子来绘制纳米粒子周围的等离子体场分布。”在研究金纳米粒子时，Liu和他的同事发现了一个不寻常的现象。当纳米颗粒位于石墨烯薄片上时，等离子体场是对称的。但是当纳米颗粒靠近石墨烯边缘时，等离子体场在边缘区域附近集中得更强烈。Liu说：“这是一种非凡的新思考方式，可以思考我们如何利用纳米尺度的光以等离子体场和其他现象的形式操纵电荷。” “凭借超快的能力，当我们调整不同的材料及其特性时，很难预测我们将看到什么。”整个实验过程，从纳米粒子的刺激到等离子体场的检测，发生在不到几百千万亿分之一秒内。CNM 主管 Ilke Arslan 表示：“CNM 在容纳 UEM 方面是独一无二的，该 UEM 对用户开放，并且能够以纳米空间分辨率和亚皮秒时间分辨率进行测量。” “能够在如此短的时间窗口内进行这样的测量，开启了对非平衡状态中大量新现象的研究，而我们以前没有能力探测到这些现象。我们很高兴能够提供这种能力给国际用户。”对于这种纳米颗粒-石墨烯系统的耦合机制的理解，将是未来开发令人兴奋的新型等离子体装置的关键。基于这项研究的论文“使用超快电子显微镜可视化等离子体耦合”（Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy）发表在 6 月 21 日的《Nano Letters》上，DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01824。除了 Liu 和 Arslan，其他作者还包括 Argonne 的 Thomas Gage、Richard Schaller 和 Stephen Gray。印度理工学院的 Prem Singh 和 Amit Jaiswal 也做出了贡献，武汉大学的 Jau Tang 和 IDES, Inc. 的 Sang Tae Park 也做出了贡献（日本电子于2020年初收购超快时间分辨电镜商IDES）。文：Jared Sagoff，阿贡国家实验室关于CNM新建立的超快电子显微镜 (UEM)CNM 的超快电子显微镜 (UEM) 是一种独特的工具，可供美国能源部纳米科学研究中心的用户使用。CNM超快电子显微镜实验室。左起顺时针:Thomas Gage, Haihua Liu和Ilke ArslanUEM 的应用是利用电子研究纳米级材料中的超快（亚皮秒）结构和化学动力学，这是一个广受关注的新兴科学领域。CNM的 UEM 结合了以下功能：■具有高重复率的可调谐飞秒激光器■产生脉冲电子束的多种途径■配备高灵敏度相机和电子能量过滤的同步激光泵浦脉冲透射电子显微镜CNM精心设计的UEM打开了通向任何标准电子显微镜都不具备的科学理解领域的大门，即理解亚纳米空间分辨率材料中的快速(亚皮秒到纳秒)动力学和短期亚稳态相。它代表了一种关键的分析工具，可以提供超快的结构和化学变化，以广泛的系统。在未来几年，通过开发超快的电气和机械触发机制，CNM期望开发具有基础和设备相关性的新型样品环境和样品激发途径。结合超快探测，这将允许深入了解电场和应变的非平衡现象。例如，人们可以探索声学声子模式在量子信息科学感兴趣的材料和系统中产生的应变随时间变化的影响，例如金刚石或碳化硅中的空位缺陷。在纳米科学的许多领域中，UEM 在促进对瞬态过程的理解方面具有很高的价值，例如激子定位、短寿命亚稳相、光致分离、拓扑材料动力学、等离子体系统、分子马达和磁波动等。连同理论建模，UEM 将为纳米科学界提供对纳米材料的前所未有的理解。阿贡国家实验室是 1946 年在伊利诺伊州杜佩奇县成立的第一个也是最大的国家实验室。 美国能源部资助阿贡国家实验室和芝加哥阿贡大学有限责任公司管理该实验室。 阿贡国家实验室前身是芝加哥冶金实验室，也是恩里科费米 (Enrico Fermi) 第一个受控核链式反应演示的所在地。 目前，阿贡实验室由阿贡先进光子源、阿贡串联直线加速器系统组成，开展基础科学研究、清洁能源实验、全国环境问题管理，最重要的是审查和监测国家安全风险。

科技日报北京6月19日电 （记者张梦然）据近日发表在《科学进展》上的一篇论文，英国牛津大学研究人员开发了一种使用光的偏振来实现最大化信息存储密度的设备。新研究使用多个偏振通道展开了并行处理，计算密度比传统电子芯片提高了几个数量级。自1958年第一块集成电路发明以来，将更多晶体管封装到特定尺寸的电子芯片中，一直是实现最大化计算密度的首选方法。然而，人工智能和机器学习需要专门的硬件突破现有计算的界限，因此电子工程领域面临的主要问题是：如何将更多功能打包到单个晶体管中？科学家已知不同波长的光不会相互影响，同样，不同偏振的光也不会相互影响。因此，每个极化都可作为一个独立的信息通道，使更多信息可存储在多个通道中，这就大大提高了信息密度。而光子学相对于电子学的优势在于，光在大带宽上速度更快，功能也更强大。新研究的目标就是充分利用光子学与可调谐材料相结合的这些优势，实现更快、更密集的信息处理。鉴于此，十多年来，牛津大学研究人员一直致力于使用光作为计算手段。团队此次开发了一种HAD（混合活性电介质）纳米线，该纳米线使用一种混合玻璃材料，该材料在光脉冲照射时具有可切换的特性，每条纳米线都显示出对特定偏振方向的选择性响应，因此可使用不同方向的多个偏振同时处理信息。利用这个概念，研究人员开发出第一个利用光偏振的光子计算处理器。光子计算通过多个偏振通道进行，纳米线则由纳秒光脉冲调制，与传统电子芯片相比，其计算速度更快，计算密度因此提高了几个数量级。研究人员表示，对于人们希望看到的未来愿景来说，现在仅仅是个开始，这种偏振光子计算处理器结合了电子、非线性材料和复杂计算，已经是一个超级令人兴奋的想法。总编辑圈点 　　随着传统电子芯片尺寸越来越小，芯片上的晶体管数量接近极限，摩尔定律也日益逼近“天花板”。这些年，科学家和工程师们开始为芯片发展寻找新的“增长点”，利用光子计算便是思路之一。例如，2015年美国科学家研发出用光处理信息的光电子芯片，它依旧使用电子来计算，但是可以直接使用光来处理信息。上述成果则利用了光的偏振特性。这些研究都为芯片迭代升级提供了更多可能。

x射线多层膜在静态和超快x射线衍射中的应用x射线光学组件类型根据x射线和物质作用的不同原理和机制，目前主流的x射线光学组件可以大致分为四类：以滤片、窗片、针孔光阑为代表的吸收型组件；基于反射，全反射原理的各种镜片以及毛细管、波导等反射型器件，还有基于折射原理的各种复折射镜。而本文的主题多层膜镜片，其底层原理和晶体、光栅、波带片一样，都是基于衍射原理。吸收型反射型折射型衍射型滤片窗口针孔/光阑镜片：kb、wolter、超环面镜… … 毛细管：玻璃毛细管、金属镀层毛细管复折射镜：抛物面crl、菲涅尔crl、马赛克crl、… … 晶体光栅多层膜波带片多层膜的原理和工艺一般来说，反射型镜片存在“掠射角小、反射率低”的问题。而多层膜镜片则是通过构建多个反射界面和周期，并使反射界面等周期重复排列，相邻界面上的反射线有相同的相位差，就会发生干涉，如果相位差刚好为2pi的整数倍，则会干涉相长，得到强反射线。从布拉格公式可以看出：多层膜就是通过对d值的控制，来实现波长选择的人工晶体。而在工艺实现方面，目前制备x射线多层膜镜的主要工艺有：磁控溅射、电子束蒸镀、离子束蒸镀。一般使用较多的是磁控溅射或离子束镀膜工艺，即在基板上交替沉积金属和非金属层，通过选择材料，控制镀膜的厚度及周期的选定，实现对硬x射线到真空紫外波段的光的调制。上图为来自德国incoatec的四靶材磁控溅射镀膜系统。可实现多种膜系组合的高精度镀膜。[la/b4c]40 多层膜b-kα（183ev）用多层膜，d：10nm单层膜厚：1-10nm0.x nm的镀膜精度tem: 完美的镀层界面frank hertlein, a.e.m. 2008上图为40层la-b4c多层膜的剖面透射电镜图像和选区电子衍射，弥散的衍射环说明膜层是非晶结构。同时可以明显看到：周期为10nm的膜层界面非常清晰和规则。这套镀膜系统可获得0.x nm的镀膜精度。多层膜的特点示例—单色和塑形多层膜最显著的特点和优势在于可以通过基底的面型控制和镀层的膜厚控制，将x光的塑形和单色统一起来。当然，这是以精度极高的镀膜工艺为前提。下图的数据展示了进行梯度渐变镀膜时，从镜片一端到另一端镀膜的周期设计数值 vs. 实际工艺水平。可以看到：长度为150mm的基底上，单层镀膜膜厚需要控制在3.8-5.7nm，公差需要在1%以内。相当于在1500公里的长度上，厚度起伏要控制mm水平。这是非常惊人的原子层级的工艺水平。frank hertlein, a.e.m. 2008通过面型控制来实线x射线的塑形；通过极高精度的膜厚控制实现2d值渐变—继而实现单色；0.x nm尺度的镀膜误差——需要具备原子层级的工艺水平！多层膜的特点示例—带宽和反射率除了可以通过曲面基底和梯度镀膜实现对x光的塑形和单色，还可通过对膜层材料、膜厚、镀膜层数等参数的设计和控制，来实现带宽和反射率的灵活调整。如窄带宽的高分辨多层膜，以及宽带宽的高积分反射率多层膜。要实现高分辨：首先要选择对比度较低的镀膜材料，如be、c、b4c、或al2o3；其次减小膜的厚度，多层膜的厚度降为10~20å；最后增加镀膜层数，几百甚至上千。from c. morawe, esrf多层膜的特点示例—和现有器件的高度兼容左侧: [ru/c]100, d = 4 nm r 80% for 10 e 22 kev中间: si111 δorientation0.01°右侧: [w/si]100, d = 3 nm r 80% for 22 e 45 kevdcmm at sls, switzerland, m. stampanoni精密、灵活的膜层设计和镀膜控制镀膜材料的组合搭配；d/2d值的设计和控制；带宽和反射率的灵活调整。和现有器件的高度兼容多层膜主流应用方向目前，多层膜的主流应用方向和场景主要有：粉末、x射线荧光、单晶衍射以及同步辐射的单色、衍射、散射装置搭建。粉末衍射x射线荧光单晶衍射同步辐射基于dac的原位高压静态x射线衍射典型的静高压研究中，常利用金刚石对顶砧来获得一些极端条件。在极端的高压、高温下，利用x射线来诊断新的物相及其演化过程是重要的研究手段。x-ray probe利用金刚石对顶砧可以获得极端条件(数百gpa, 几千°c) 利用x射线探针来诊断和发现新物相；由于对x光源、探测器以及实验技术等方面的苛刻要求，尤其是需要将微束的x光，精准的穿过样品而不打到封垫上。长期以来，基于dac的x射线高压衍射实验只能在同步辐射实现。但同步辐射有限的机时根本无法满足庞大的用户需求。不能在实验室进行基于dac的x射线高压衍射实验和样品筛选，一直是广大高压科研群高压衍射实验室体的一大痛点。以多层膜镀膜工艺为技术核心，将多层膜镜片与微焦点x光源耦合，我们可以为科研用户提供单能微焦斑x射线源，使得在实验室实现高压衍射成为可能。下图是利用mo靶（左）和ag靶（右）单能微焦斑x射线源获得的dac加载下的lab6样品的衍射图。曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mm。可以看到：300s曝光获得的衍射数据质量是可接受的。特别地，对于银靶，由于其能量更高，可以压缩倒易空间，在固定的2thelta角范围内，可以获得更多的衍射信息，这对于很多基于dac的静高压应用来说非常有吸引力。dac加载下的lab6样品的衍射数据：多层膜耦合mo靶（左）和ag靶（右）曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mmbernd hasse, proc. of spie vol. 7448, 2009 (doi: 10.1117/12.824855)基于激光驱动超快x射线衍射在利用激光驱动的x射线脉冲进行超快时间分辨研究中，泵浦探针是常用的技术手段。脉宽为几十飞秒的入射激光经分束后，一路用于激发超快x射线脉冲，也就是探针光；另一路经倍频晶体倍频作为泵浦光。通过延时台的调节，控制泵浦激光和x射线探针到达样品的时间间隔，可实现亚皮秒量级时间分辨的测量。而在基于激光驱动的超快x射线衍射实验中，如何提升样品端的光通量？如何获得低发散角的单色光束？如何抑制飞秒脉冲的时间展宽？如何同时兼顾以上的实验要求？都是需要考虑的问题。很多时候还需要兼顾多个技术指标，所以我们非常有必要对各类光学组件和x射线飞秒脉冲源的耦合效果和特点有一个比较清晰的认知。四种光学组件和激光驱动x射线源的耦合效果对比首先我们先对弯晶、多层膜镜、多毛细管和单毛细管四种组件的聚焦效果有个直观的了解。以下是将四种光学组件和激光驱动飞秒x射线源耦合，然后进行了对比。四种光学组件在聚焦和离焦位置的光斑：激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs源尺寸：10um 打靶产额：4*109 photons/s/sr这是四种组件的理论放大倍率和实测聚焦光斑的对比。可以看到：弯晶和多层膜的工艺控制精度很高，实测光斑和理论值比较接近。而毛细管的大光斑并不是工艺精度的误差，而是反射型器件的色差导致的，不同能量的光都会对聚焦光斑有贡献，导致光斑较大。而各种组件的工艺误差，导致的强度不均匀分布，则是在离焦位置处的光斑中得到较为明显的体现。ge(444)双曲弯晶多层膜镜片单毛细管多毛细管放大倍率1270.7收集立体角 (sr)+---++反射率--+++-有效立体角 (sr)---+++1维会聚角 (deg)+---++耦合输出通量(ph/s)---+++聚焦尺寸 (μm)2332155105光谱纯度好好差差时间展宽 (fs)++++--激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs打靶产额：4*109 photons/s/sr等级: ++ + - --利用针孔+sdd，在单光子条件下，测量有无光学组件时的强度和能谱，可以推演出相应的技术参数。这里我们直接给出了核心参数的总结对比。其中，大多数用户最为关注，同时也是对于实验最为重要的，主要是有效立体角、输出光通量、光谱纯度和时间展宽。可以看到：典型的有效收集立体角在-4、-5sr的水平，而在样品上的输出光通量在5-6次方每秒这样的水平。但是需要指出的是：毛细管并不具备单色的能力，虽然有效立体角大，但输出的是复色光。对于时间展宽的比较，很难通过实验手段获得测量精度在几十到百飞秒水平的结果，所以主要通过理论分析和计算来获得。对于同为衍射型组件的ge(444)双曲弯晶和多层膜镜片，光程差引入项主要是x光在组件内的贯穿深度。对于ge(444)，8kev对应的布拉格角约为70度，x光的衰减长度约为28um，对应的时间展宽约90fs。对于多层膜镜片，因为它属于掠入射型的衍射组件，x光的衰减长度在um量级，对应的时间展宽甚至可以到10fs水平，因此这里的数据相对比较保守的。而对于毛细管这种反射型器件，光程差引入项主要是毛细管的长度差。对于单毛细管，光程差在10fs水平，对于多毛细管，位于中心区域和边缘的子毛细管长度是有较大的差异的，光程差可达ps水平。小结1. 弯晶：单色性好、时间展宽较小、有效立体角小、输出通量低；2. 多层膜：单色性好、时间展宽较小、有效立体角大、kα输出通量高；3. 单毛细管：复色、时间展宽很小、有效立体角大、复色光通量高；4. 多毛细管：复色、时间展宽较大、有效立体角最大、复色光通量最高。每一种光学组件都有其适用的场景，对于非单色的超快应用，如超快荧光、吸收谱，毛细管可能更为合适，而对于追求单色的超快应用，如超快衍射，多层膜是比较好的选择，兼顾了单色性、时间展宽和有效立体角（输出通量）三个核心指标！如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。北京众星联恒科技有限公司致力于为广大科研用户提供专业的x射线产品及解决方案服务！

于中国科学院西安光学精密机械研究所的瞬态光学与光子技术国家重点实验室，4月23日在国家重点实验室网站发布了2009年度开放基金课题申请指南。 该开放基金每年设立8-10项开放课题，每项资助经费5-10万元人民币，资助期限一般为2年。 2009年度开放基金申请基本要求： 重点资助助理研究员、讲师、硕士及其以上有独立开展研究课题能力的国内、外科技工作者；资助金额一次核准，分年度下达，资金仅限于在本实验室使用，资助金额的使用与管理按财务制度和实验室的管理条例执行；课题负责人在研究期间，须来实验室累计做三个月以上的客座；课题负责人在研究期间，每年需提交“开放基金年度进展报告”；2009年度开放课题基金申请受理截至日期为2009年8月31日，研究期限为两年，起止时间为2009年10月1日至2011年9月31日。 基金资助方式分以下三类： 研究课题经费全部由实验室开放基金资助；研究课题经费部分由实验室开放基金资助；申请者利用实验室设备及条件，自带课题及经费来实验室开展研究工作。 2009年度开放基金课题重点支持研究内容： 1.光子学前沿理论研究微纳光纤非线性现象及其器件研究光学捕获与特殊光束理论研究 2.超快光子技术超短超强光纤激光产生、放大、压缩与合成技术研究高功率全光纤激光器关键器件研究高信噪比超宽带超快激光技术飞秒激光微加工技术超快生物光子成像和微操纵技术 3.极端物理条件多维信息获取技术超高时间分辨率分幅/扫描成像理论与技术极弱/瞬时目标探测与成像技术超快光电成像器件 4.信息光子技术光子网络系统与信息交换超高速/超大容量光通信 5.光功能材料与集成光子器件新型高能激光技术及其材料新型高速光通讯有源/无源器件微结构/大模场光纤材料及制备 6.光子工程技术超大功率/超高亮度半导体激光器三维激光成像与主动探测新型光谱/成像技术及应用高速光电信息获取与新型光学成像方法 详情请见：瞬态光学与光子技术国家重点实验室2009年度开放基金课题申请指南

一． 近红外双模式单光子探测器介绍SPD_NIR为900nm至1700 nm的近红外范围内的单光子检测带来了重大突破。 SPD_NIR建立在冷却的InGaAs / InP盖革模式单光子雪崩光电二极管技术上，是NIR单光子检测器的第一代产品，可同时执行同步“门控”（GM）和异步“自由运行”（FR ）检测模式。 用户通过提供的软件界面选择检测模式。冠jun级别的器件具有低至800 cps的超低噪声，高达30％的高校准量子效率，100 ns最小死区，100 MHz外部触发，150 ps的快速成帧分辨率和极低的脉冲 。 当需要光子耦合时，标准等级可提供非常有价值且经济高效的解决方案。基于工业设计，该设备齐全的探测器不需要任何额外的笨重的冷却系统和控制单元。 经过精心设计的紧凑性及其现代接口使SPD_NIR非常易于集成到最苛刻的分析仪器和Quantum系统中。OEM紧凑型 多通道控制器软件界面二． 近红外双模式单光子探测器原理TPS_1550_type_II是基于远程波长自发下变频的双光子源。TPS_1550_type_II采用波导周期性极化铌酸锂(WG-ppln)晶体，用于产生光子对。波导- ppln的转换效率比任何块状晶体都高2到3个数量级，并确保与单模光纤的高效耦合。0型和II型双光子的产生三． 近红外双模式单光子探测器应用特点特点： ▪ 自由模式 & 门模式▪ 集成电子计数▪ 校准后 QE可达 30%▪ TTL和NIM信号兼容▪ 暗记数 800 cps▪ 软件可远程控制▪ 最小死时间 100 ns▪ 冷却板兼容欧盟/美国▪ 外部触发频率：可达100 MHz▪ DLL 文件库 : Python, C++, LabVIEW应用方向：▪ 量子通信▪ 盖革模式激光雷达▪ 量子密钥分发▪ 高分辨率OTDR▪ 光子源特性▪ FLIM 成像▪ 符合测试▪ 光纤传感四． 近红外双模式单光子探测器技术规格五． Aura 介绍AUREA Technology是法国一家知名的探测器供应商，公司致力于尖端技术的研发，基于先进的单光子雪崩光电二极管，超快激光二极管和快速定时电子设备，设计和制造了新一代高性能，功能齐全的近红外探测器。作为全球技术领导者之一，AUREA技术提供盖革模式单光子计数，皮秒激光源，快速时间关联和光纤传感仪器。此外，AUREA Technology直接或通过其在北美，欧洲和亚洲的专业分销渠道为200多个全球客户提供一流的专业支持。并与客户紧密合作，以应对当今和未来在量子安全，生命科学，纳米技术，汽车，医疗和国防领域的挑战。昊量光电作为法国AUREA公司在中国区域的独家代理商，全权负责法国Aurea公司在中国的销售、售后与技术支持工作。AUREA技术提供了新一代的光学仪器，使科学家和工程师实现卓越的测量结果。奥瑞亚科技与全球的客户和合作伙伴紧密合作，共同应对量子光学、生命科学、纳米技术、化学、生物医学、航空和半导体等行业的当前和未来挑战双光子是展示量子物理原理的关键元素，并实现新的量子应用。例如，双光子使量子密钥分发技术得以发展，以确保数百公里范围内的数据网络安全。在生物成像应用中，双光子光源产生原始的无色散测量。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的退相干时间，同时降低自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基自旋量子比特单元的二维扩展。另一种有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。硅基锗量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有较强的本征自旋轨道耦合效应和较弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，仅通过单个交变电场即可实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为该领域关注的热点。自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度。因此，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究组在2021年首次在硅基锗量子线空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系，为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。图1. (a)硅基锗量子线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b)自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c)微波功率为9dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚（已毕业）为论文共同第一作者。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

光子引线键合技术实现多光子芯片混合组装近日，由Nanoscribe公司的Matthias Blaicher博士携手Muhammed Rodlin Billah博士组成了一个德国光子学，量子电子学和微结构技术研究团队，利用光子引线键合技术，实现了硅光子调制器阵列与激光器和单模光纤之间的键合，制造出光通信引擎。此项研究成果发表在《自然-光：科学与应用》国际学术期刊上。（Light: Science & Applications）研究人员利用Nanoscribe公司先进的3D光刻技术将光学引线键合到芯片上，从而有效地将各种光子集成平台连接起来。此外，研究人员还简化了先进的光学多阶模块的组装过程，从而实现了从高速通信到超快速信号处理、光传感和量子信息处理等多种应用的转换。什么是光子引线键合技术自由光波导三维(3D)纳米打印技术，即光子引线键合技术。该技术可以有效地耦合在光子芯片之间，从而大大简化了光学系统的组装。光子丝键合的形状和轨迹具有关键优势，可替代依赖于技术复杂且昂贵的高精度对准的常规光学装配技术。 光子引线键合技术的重要性光子集成是实现各种量子技术的关键方法。该领域的大多数商业产品都依赖于需要耦合元件的光子芯片的独立组装，如片上适配器和体微透镜或重定向镜等。组装这些系统需要复杂的主动对准技术，在器件开发过程中持续监控耦合效率，成本高且产量低，使得光子集成电路（PIC）晶圆量产困难重重。 研究人员使用Nanoscribe的增材纳米加工技术，结合了常规系统的性能和灵活性，实现整体集成的紧凑性和可扩展性。为了在光子器件上设计自由形式的聚合物波导，该团队依靠光子引线键合技术，实现全自动化高效光学耦合。光子引线键合技术的可微缩性和稳定性在实验室中，研究人员设计了100个间隔紧密的光学引线键（PWB）。实验结果为简化先进光子多芯片系统组装奠定了基础。实验模块包含多个基于不同材料体系的光子芯片，包括磷化铟（InP）和绝缘体上硅（SOI）。实验中的组装步骤不需要高精度对准，研究人员利用三维自由曲面光子引线键合技术实现了芯片到芯片和光纤到芯片的连接。 在制造PWB之前，研究人员使用三维成像和计算机视觉技术对芯片上的对准标记进行了检测。然后，使用Nanoscribe双光子光刻技术制造光学引线键，其分辨率达到了亚微米级。研究团队将光学夹并排放置在设备中，以防止高效热连接中的热瓶颈。混合多芯片组件（MCM）依赖于硅光子（SiP）芯片与磷化铟光源和输出传输光纤的有效连接。研究团队还将磷化铟光源作为水平腔面发射激光器（HCSEL），当他们将光学引线键与微透镜结合在一起时，可以方便地将光学平面外连接到芯片表面。验证实验1在第一个实验中，研究团队通过使用深紫外光刻技术制造了测试芯片，结果表明光学引线键能够提供低损耗的光学连接。每个测试芯片包含100个待测试的键合结构，以从光纤芯片耦合损耗中分离出光学引线键损耗。光学引线键的实验室制造可实现完全自动化，每个键的连接时间仅为30秒左右，实验表明该时间可进一步缩短。研究团队还在其他测试芯片上进行了重复实验，验证了该工艺优秀的可重复性。随后，研究人员还进行了-40℃至85℃的多温度循环实验，以证明该结构在技术相关环境条件下的可靠性。实验过程中，光学引线键没有发生性能降低或是结构改变的情况。为了解光学引线键结构的高功率处理能力，研究人员还对样品进行了1550纳米波长的连续激光照射，且光功率不断增加。研究结果显示，在工业相关环境及实际功率水平中，光学引线键可以保证高性能。验证实验2在第二个实验中，研究团队制造了一个用于相干通信的四通道多阶发射机模组。在该模组中，研究人员将包含光学引线键的混合多芯片集成系统与电光调制器的混合片上集成系统相结合，并将硅光子芯片纳米线波导与高效电光材料相结合。实验结果表明，该模组具有低功耗、效率高的优点。更多双光子微纳3D打印技术和产品请咨询Nanoscribe中国分公司纳糯三维科技（上海）有限公司Photonic Professional GT2 双光子微纳3D打印设备Quantum X 灰度光刻微纳打印设备可应用于微光学，微型机械，生物医学工程，力学超材料，MEMS，微流体等不同领域。参考文献：Hybrid multi-chip assembly of optical communication engines via 3-D nanolithographyby Thamarasee Jeewandara , Phys.orghttps://phys.org/news/2020-05-hybrid-multi-chip-optical-d-nanolithography.html

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)

据物理学家组织网6月4日报道，美国马里兰大学纳米物理和先进材料中心的研究人员开发出一种新型热电子辐射热测量计，这种红外光敏探测器能广泛应用于生化武器的远距离探测、机场安检扫描仪等安全成像技术领域，并促进对于宇宙结构的研究等。相关研究报告发表在6月3日出版的《自然纳米技术》杂志上。　　科学家利用双层石墨烯研发了这款辐射热测量计。石墨烯具有完全零能耗的带隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特别是能量极低的光子，如太赫兹或红外及亚毫米波等。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。光子带隙结构能使某些波段的电磁波完全不能在其中传播，于是在频谱上形成带隙。　　而石墨烯的另一特性也使其十分适合作为光子吸收器：吸收能量的电子仍能保持自身的高效，不会因为材料原子的振动而损失能量。同时，这一特性还使得石墨烯具有极低的电阻。研究人员正是基于石墨烯的这两种特性设计出了热电子辐射热测量计，它能通过测量电阻的变化而工作，这种变化是由电子吸光之后自身变热所致。　　通常来说，石墨烯的电阻几乎不受温度的影响，并不适用于辐射热测量计。因此研究人员采用了一种特别的技巧：当双层石墨烯暴露于电场时，其具有一个大小适中的带隙，既可将电阻和温度联系起来，又可保持其吸收低能量红外光子的能力。　　研究人员发现，在5开氏度的情况下，新型辐射热测量计可达到与现有辐射热测量计同等的灵敏度，但速度可增快1000多倍。他们推测其可在更低的温度下，超越目前所有的探测技术。　　新装置作为快速、敏感、低噪声的亚毫米波探测器尤具前景。亚毫米波的光子由相对凉爽的星际分子所发出，因此很难被探测到。通过观察这些星际分子云，天文学家能够研究恒星和星系形成的早期阶段。而敏感的亚毫米波探测器能帮助构建新的天文台，确定十分遥远的年轻星系的红移和质量，从而推进有关暗能量和宇宙结构发展的研究。　　虽然一些挑战仍然存在，比如双层石墨烯只能吸收很少部分的入射光，这使得新型辐射热测量计要比使用其他材料的类似设备具备更高的电阻，因而很难在高频下正常工作，但研究人员称，他们正在努力改进自身的设计以克服上述困难，其亦对石墨烯作为光电探测材料的光明前景抱有极大信心。