鲁棒光学

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。

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）。笔者注意到，今年的十大进展中，没有光学显微成像技术入选。回顾在过去几年，2021年《线照明调制显微术实现高清成像》、2020年《亚纳米分辨的单分子光致荧光成像》、2019年《基于多角度干涉的三维多色活细胞超分辨光学显微镜》、2018年《超快，长时程超分辨率海森结构光照明显微镜》连续4年均有光学显微成像技术的上榜。此外，2021年《溶液中单分子电化学反应的直接成像》作为一项研究工具为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供了新的可能，也为显微成像技术提供新的思路。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-10 PW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62.5 MeV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230 mg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 5 mA/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，110 GHz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——1.96 Tb/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。“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。

Shvabe光学仪器控股集团(隶属俄罗斯技术国家集团)总经理谢尔盖马克辛日前在新闻发布会上表示，集团计划2020年前投资600亿卢布用于发展，且2020年的进款达到900亿卢布。Shvabe光学仪器控股集团是俄罗斯光学仪器行业的领头羊。　　2016年到2017年，Shvabe光学仪器控股集团打算进行首次公开募股(IPO)，可能考虑的平台包括莫斯科证券交易所，也包括国外的证券交易所，如伦敦证券交易所。　　公司将把吸引来的资金投入到新项目上。马克辛说，经审计师证实的控股集团(非交易所)市值估计在20亿美元左右。　　集团打算把同等金额的自有资金和联邦资金投入发展，并参与了各个联邦专项计划。　　2012年，控股集团结束了19个下属企业的股份化，且按照国际标准制定了综合金融报告。集团2012年的进款增加了27%，达到260亿卢布 2013年这一指标计划增加21%，达到315亿卢布 而到2020年，达到900亿卢布。2012年的净利润增加了13%，达到9.34亿卢布 2013年计划增加到10.51亿卢布。　　Shvabe光学仪器控股集团研发和生产军民两用高科技光电系统、医疗器械、节能照明设备，其中军用产品所占比例达63%，公司计划2020年前把这一比例降至50%。