和過去幾年一樣，今年的20大技術精選突出了許多持續推動光子學領域飛速向前發展的科學家，工程師，技術人員和學生的創造力和技能——當然，還有管理人員和指導人員。可能沒有其他領域可以吹噓它的蓬勃發展得到了來自光學、物理學、力學、材料科學、電子學和化學等這麼多領域的專家貢獻（我沒有漏掉什麼吧？）。此外，沒有其他領域擁有這麼多高度熟練的驗光師，CAD設計工程師、實驗室技術人員以及其他專業技能人士來推進作為光子學基礎的基於經驗的知識庫。你們所有人不僅僅是使入選今年技術評審20大名單的技術成為可能，而且還促進了我們稱之為光子學的整個相互關聯的技術領域的發展。
衛星對衛星的安全的幹涉通信可以使通信系統變得更簡單，更小型化和更便宜。
1.用於彩色顯示器的雷射像素。
一塊非常小的半導體材料是如何產生任何顏色——包括白色——雷射的呢？這個問題是一個非常實用的問題，因為這個問題的答案可以導致彩色顯示器明亮而高效的像素。由亞利桑那州立大學（Tempe，亞利桑那州）和清華大學（北京，中國）的研究人員給出的一個解決方案是用一種其組份在像素範圍內變化的材料製成單個像素，允許它被單點或多點泵浦從而產生不同的顏色（見圖1）。由此產生的晶片，大小只有28×18×0.3μm，由硫硒化鋅鎘（ZnCdSSe）組成，其中Zn、Cd、S和Se的混合比例是位置的函數。雖然原型機是用光泵浦的，但是研究人員的目標是很快製成一個電泵浦的版本。（參見《Multicolor Lasers:Semiconductor laser can produce many colors, including white》【《雷射世界焦點》（LFW）, 2015年9月刊】)
圖1.由含有不同元素比例的硫硒化鋅鎘半導體片段製成的多色雷射器可以發出白光，單一顏色光，或各種顏色組合的光。圖（a）顯示了各種不同組合的雷射光譜。圖（a）中的顏色組合的色域如圖（b）的CIE色度圖所示；白光組合非常接近CIE標準D65白光源。圖（c）顯示的是器件在閾值以下泵浦的情況，而圖（d）至圖（j）顯示的是圖（a）所示的顏色組合在閾值以上泵浦的情況。（圖片由Cun-Zheng Ning提供）
2.雷射雷達。
在三維場景中感知物體位置的一種方式是通過融合從兩個攝像頭產生的距離信息來模仿人類的立體視覺，那麼為什麼不採取一個更簡單的方法——直接使用雷射束來測量距離呢？當然，這就是光探測和測距（雷射雷達）系統所做的。雷射雷達的許多優點之一就是它可以做得很小（與之相比，立體的3D系統當做得比較小的時候就失去了他們的距離感測能力）。然而，對於在自動駕駛汽車上的應用，要不需要雷射雷達光源非常強大，要不就需要探測器高度敏感，或者兩者同時達到。幸運的是，這項技術正在不斷形成，並已經實現了用在自動駕駛小汽車上的小型雷射雷達系統，甚至也可以由小型無人駕駛飛機攜帶用於基礎設施監測，救災和一般監控。（參見《LIDAR nears ubiquity as miniature systems proliferate》【《雷射世界焦點》（LFW）, 2015年10月刊】）
3.活細胞3D列印。
在過去幾年中，3D列印（雷射和其他方式）的興起使得從飛機部件到精緻的巧克力等所有東西都可以以這種一層接一層的方式來製造。現在，漢諾瓦雷射中心（Laser Zentrum Hannover，漢諾瓦，德國）開發的一種基於雷射的轉印方法使3D列印人類活細胞成為可能，第一目的是供測試用，最終目的是構造不可移植器官（見圖2）。首先在一個玻璃片或玻璃帶上鍍上一層光吸收材料，然後再鍍上一層在凝膠中的活細胞。然後聚焦1064nm脈衝雷射使吸收層氣化並推動一滴細胞到所需的表面，使二維和三維的圖案和物體得到列印。在用人表皮細胞進行的實驗中，研究人員發現，所得到的結構植入到小鼠體內時，可以捕獲血管和出現細胞分化過程。（參見《3D laser printing of live human cells promising for testing, transplantation》【《雷射世界焦點》（LFW）, 2015年6月刊】）
圖2.以網格圖案列印的包括幹細胞的3D列印細胞結構的樣品，（a）列印剛剛完成的時候，（b）後來向骨頭分化，（c)向軟骨分化，和（d）向脂肪組織分化。（圖片由Laser Zentrum Hannover提供）
4.通過移動腔面得到完美的諧振器。
阿爾伯塔大學（埃德蒙頓，阿爾伯塔，加拿大）的Zubin Jacob介紹了至少在理論上，如果諧振腔的兩個平面能相對於彼此移動的話，傳統光學F-P腔的某些局限是可以克服的。事實上，如果相對運動足夠快，可以得到相位和幅度的完美平衡，從而產生一個可能的無限高的品質因子（Q）。但還有幾個障礙需要克服：第一，平面之間的間隙必須保持在10納米左右；其次，平面的相對運動速度必須達到光速的百分之一的量級。顯然，第二個是一個很高的障礙，這也是為什麼Jacob和他的團隊使用聲波和水波等替代替代方法來觀察這種共振的原因。第三個障礙也是很大的：從理論上說，當接近奇異共振時，通過真空產生的摩擦力會產生一個很大的粘度。也許這些效應至少可以部分地在實驗室裡實現。（參見《Moving photonics cause singular Fabry-Perot resonance》【《雷射世界焦點》（LFW）, 2015年1月刊】）
5.EUV目標在於再一次推動摩爾定律。
過去40年裡發生了什麼技術革命？如果你仔細想想，早在上世紀70年代人類就已經在月球上留下的腳印和超越了州際公路上的速度限制，在超音速飛機裡橫渡大西洋，試驗人工心臟，和在微波爐裡加熱剩飯剩菜。現在和那時候相比，最大的變化是數字革命以及由此引發的技術，這一切都因為前所未有的複雜的計算機晶片的發展才成為可能。現在，最先進的計算機晶片的特徵尺寸是14納米，而矽基晶片技術的特徵尺寸極限是幾個納米以上。瞄準矽半導體技術剩下的這個小窗口的是極紫外光刻技術（EUV）。IBM研究院（Albany，紐約）已經製成了第一個具有功能性的電晶體的7納米節點測試晶片，該晶片採用了矽和鍺來形成電晶體。ASML公司（Veldhoven，荷蘭）針對7納米節點開發了EUV光刻掃描儀。（參見《Using EUV lithography, IBM research alliance produces first 7-nm-node test chips》【《雷射世界焦點》在線版（LFW online）, 7月9日】）
6.安全的幹涉型空間通信。
衛星到衛星的通信可以提供基於空間的廣域網絡基礎，包括伺服器到伺服器和路由器到路由器的應用，但是存在一個前提——通信必須是安全的。除了基於光子的量子糾纏且必須採取單一的光子來進行傳感的量子密碼技術可以作為安全的路徑，還存在另一條安全路徑：那就是基於大量無差別光子的幹涉光通信。幹涉光學研究中心（羅切斯特，紐約）的F. J. Duarte和美國陸軍空間與飛彈防禦司令部（Huntsville，阿拉巴馬）的Travis Taylor提出了一個安全的幹涉空間通信系統，可以提供一個更簡單，更小型和更便宜的保護衛星之間通信安全的選擇（見實物）。基於一個簡單的N縫雷射幹涉儀，該系統不需要計算光子數而可以依靠常溫CCD或CMOS探測器。（參見《Interferometry:Quantum entanglement physics secures space-to-space interferometric communications》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年4月刊】。）
7.通過短晶體的超窄線寬頻率轉換。
由雷射器很難直接產生的特定波長的相干光通常通過非線性光學晶體進行光的頻率轉換來產生。然而，要求的線寬越窄，用於生成它的晶體所需要的長度也就越長——在一些應用如通信中需要超窄的線寬，所需要的晶體長度就變得笨重了。特拉維夫大學(特拉維夫, 以色列) Roei Remez和Ady Arie想出了一個辦法來解決這個問題，不同於傳統的周期極化晶體，他們開發一種超振蕩非線性晶體。超振蕩器件具有三段周期長度不同的周期極化部分，而不是一個單一的部分。實驗的超振蕩光譜帶寬為1.1納米，比同樣長度傳統晶體的中心光譜3.6納米的帶寬要窄69%。（參見《Nonlinear crystal does supernarrow-linewidth frequency conversion》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年6月刊】。）
8.人工晶狀體可以像真實眼睛一樣聚焦。
對於為視力不理想的人來說，矯正鏡片的聖杯就是發明可以自己聚焦的鏡頭。雖然自聚焦眼鏡已被開發出來了，可是它們比普通眼鏡要重，而且通過他們自己的傳感器來選擇焦點，但這可能與佩戴者想要的不一致。現在，biolnic（科隆，德國）的工程師已經開發了一種柔性人工晶狀體，它可以完全由人類眼睛的睫狀肌控制。結果是得到了自然視覺，具有在放鬆的焦點位置附近的3種屈光度調節，使得其具有近處和遠處的視覺。這種叫做DeepSight的鏡頭，具有高折射率的聚合物殼體和液體內核，通過與常規人工晶狀體相同的醫療程序進行植入。（參見《Bio-inspired intraocular lens mimics natural, adjustable vision》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年3月刊】。）
9.納米尺度相干成像。
亞衍射極限解析度的顯微鏡技術，如受激發射損耗螢光顯微術（STED）等，開闢了納米尺度成像的新領域。然而，伴隨而來的一個事實是它們需要製備大量的樣品，所以他們不能實現三維納米系統功能的成像。美國天體物理聯合實驗室/科羅拉多大學波爾德分校以及KMLabs公司（Boulder，科羅拉多）的科學家在相干衍射成像（CDI）中加入高階諧波（HHG）來創造一個系統，可以將測試圖案以22nm的解析度成像。高次諧波提供了短波長極紫外（EUV）光，而CDI是適用於極紫外的無透鏡技術。在高橫向解析度之外，CDI還結合了吸收以及和幾何外形/材料相關的相移等三重性質，可以產生具有亞微米軸向解析度的圖像，從而使該技術非常適於輪廓測量（見圖3）。第一個商業應用將可能在納米電子學上。（參見《Tabletop high harmonics illuminate the nano-world》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年5月刊】。）
圖3.相干衍射成像（CDI）與原子力顯微鏡（AFM）的定量比較。一個通過CDI相位重建產生的CDI納米結構高度圖的3D渲染圖。圖(a)中突出顯示出來的白色矩形區域放大之後與相同區域的AFM圖像的對比見圖(c,d)。圖(b)中所畫圖線表明兩者符合的很好（95%置信區間內是6Å）。原子力顯微鏡的圖像（圖d）用高斯點擴散函數進行了平滑，以減輕圖(c)和圖(d)之間的橫向解析度的不匹配。（圖片由KMLabs提供）
10.室溫超快中紅外雷射器。
超寬帶寬的超快雷射增益材料所帶來的好處是不可否認的,請想一下這類材料的典範——處於近紅外範圍的鈦藍寶石。但鈦藍寶石在中紅外區域有一個類似的材料：由所謂的過渡金屬摻雜的II-VI族半導體材料製成的可調諧雷射器，發射的是1.9μm到3.1μm之間的中紅外光，可以用來產生在科學和遙感中有很多應用的超短脈衝。由這些材料之中的一種——克爾透鏡鎖模多晶Cr:ZnS/ZnSe——製成的一類雷射器具有破紀錄的性能：平均輸出功率高達2 W，脈衝持續時間短至44 fs（大約5個光周期），在約2.4μm波長處的峰值功率高達340kW。這種雷射材料也能通過諧波產生較短波長的光，例如能產生0.25 W波長為1.2μm的光。（參見《Kerr-lens mode-locking in polycrystalline Cr:ZnS and Cr:ZnSe competes with Ti:sapphire》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年3月刊】)
11.蝴蝶微結構光纖。
在光纖裡加入微結構可以使光纖具有不尋常的非線性光學特性，如產生倍頻程的超連續光，微結構也改變了纖維的力學性能——有時候會更好。以布拉格光纖光柵（FBG）為基礎的傳感器利用沿光纖分隔開的光纖光柵進行測量，例如，測量在光柵位置的應變。然而，傳統的光纖光柵對應變和溫度都是敏感的，這會導致交叉響應問題。但是一種含有光纖光柵的具有適當幾何形狀——具體來講，是一種「蝴蝶」結構——的微結構光纖使精確的溫度不敏感的壓力測量，三維應變傳感，和剪切應力的測量成為可能。這些測量可用於石油和天然氣行業，也可以在航空航天中應用於結構健康監測。（參見《Butterfly microstructured fiber complements FBG-based sensing》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年7月刊】。）
12.單片封裝的量子級聯雷射器陣列。
據Pendar技術公司（坎布裡奇，麻省）的Mark Witinski介紹，分布反饋量子級聯雷射器（DFBQCL）可以製成每個單元的波長和與它相鄰的單元稍微不同的陣列，產生適用於手持式高性能紅外光譜儀的光源，應用在諸如多組分氣體傳感，遠程爆炸物檢測，和製藥等應用。該雷射光源不僅是單片和緊湊的（因此，真正的便攜），它還允許非常快速的全電子化波長調諧，無需移動部件。Witinski指出，與外腔可調諧雷射器相比，量子級聯雷射器陣列光源的振幅和波長參數在批與批之間從本質上更加穩定。（參見《Monolithic DFB QCL array aims at handheld IR spectral analysis》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年11月刊】。）
13.用於手持設備的微型光束轉向。
當對光學儀器進行小型化以適用於便攜使用的時候，僅使光源、光學件、探測器、電子件儘可能小還不夠——設計工程師還需要了解有什麼選擇可用於緊湊的機械結構。例如，微型光束轉向系統需要非常小，電池供電下工作，抗衝擊和振動。在許多應用中，他們也需要在很寬的溫度範圍內在任何方向下以毫弧度的精度迅速移動光學系統。New Scale Technologies公司（Victor，紐約）的工程師已經開發出滿足這些要求的不同的光束轉向方法，包括基於兩片鏡子，一片鏡子，和Risley稜鏡的設備（見圖4）。（參見《Precision micro beam-steering systems simplify move to handheld instruments》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年7月刊】。）
圖4.在一個基於Risley稜鏡的光束轉向裝置中，兩片楔形稜鏡相對彼此轉動從而使光束轉動，雖然只是在二維的範圍內。這種微型轉動裝置可以承受高功率雷射。筆直而清晰的光闌提供了高透過率和光機的簡化。（圖片由New Scale Technologies提供）
14.雷射可以修復光學元件。
世界上最大的雷射系統——由勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL；利弗莫爾，加利福尼亞）監管的國家點火裝置（NIF）——對它的熔石英元件有很高的要求。事實上，近紅外雷射的高輻射水平會損傷一些光學件，在其表面造成小坑。NIF的科學家正在利用雷射來修復這種損傷。通過改變修復雷射的波長，功率，光束大小，或脈衝持續時間，光學修復相互作用的本質可以被控制和微調。列入考察的技術包括紅外脈衝雷射微加工、雷射化學氣相沉積（L-CVD），以及被稱為選擇性雷射熔融（SLM）的3D列印增材工藝。探索這些方法的有效性需要對光學材料和雷射的屬性以多物理場建模的形式進行大量的仿真。（參見《Processing optics using IR lasers》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年8月刊】。）
15.CMOS和CCD合而為一。
對於一個特定的應用，總會存在是CCD還是CMOS成像器是該應用的最佳選擇的討論。但這兩種技術可以和已經被ESPROS Photonics公司(Sargans, 瑞士)開發的單片SoC形式CCD平臺結合在一起，其完全集成在一個CMOS的環境中。該組合提供了全範圍的模擬混合信號和在一個不太複雜的CMOS平臺上的數字設計選擇。背向照明和厚的檢測器體積允許幅度靈敏度有量級上的改善，就像可在工業規模應用中用於遠程監控的近紅外飛行時間技術片上攝像頭展示的那樣。（參見《CMOS and CCD combine in NIR time-of-flight on-chip imager》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年8月刊】。）
16.雷射都卜勒儀檢測黑色素瘤。
雷射都卜勒測速技術可用於耳的力學特性研究，渦輪轉子的葉片末端與殼體之間的距離測量，以及心臟監測。現在，它可以被應用在對抗黑色素瘤上，這是最致命的癌症之一。Pisa大學（義大利）和Lancaster大學（英國）的研究人員利用雷射都卜勒系統檢測皮下血流在惡性黑色素瘤和良性痣之間的細微差異（這二者看上去可以很相像，尤其是在黑色素瘤的早期階段，見圖5）。由於黑色素瘤的腫瘤會表現出血管的快速生長，從而導致的健康和惡性的痣的血流量之間的差異是可以檢測的。事實上，該試驗診斷出了所有存在黑色素瘤的病例，而且只產生不到10%的假陽性。（參見《Laser Doppler records blood flow to enable early melanoma detection》，【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年9月刊】。）
圖5.對痣下血管的無創雷射都卜勒掃描使指示黑色素瘤的標誌物檢測成為可能。
17.雷射眼睛測試檢測老年痴呆症。
老年痴呆症（阿爾茨海默氏症）的早期幹預和治療是減緩病情進展的唯一途徑。相比於主觀的判斷，客觀的方法更是診斷該疾病所需要的。基於關於眼睛和大腦之間的緊密聯繫的最新發現，Cognoptix公司 (Acton, 麻省)的研究人員開發了一種無創性、低成本、基於生物光子學的檢驗方法來診斷老年痴呆症是否到了需要小心的時候了。由於β澱粉樣蛋白——這一在老年痴呆症的發病和進展中至關重要的物質——已經被發現在眼睛的晶狀體裡出現，在進行該基於雷射的檢驗的前一天，對內眼瞼進行給藥，給以一種澱粉樣蛋白配體。當眼睛被雷射掃描的時候，任何的配體/澱粉樣蛋白的複合體都會發出與其數量成正比的螢光。該掃描只需要一秒鐘來完成，在臨床試驗中，在預測可能的老年痴呆症中表現出85%的敏感性和95%的特異性。（參見《Laser-based eye test for early detection of Alzheimer's》【《雷射世界焦點》（LFW）,2015年9月刊】。)
18.簡化的光學濾波器。
在可見光區域的透射式帶通濾波器可以通過很多方法來製作：一塊彩色玻璃或塑料，襯底上的多層膜，甚至是等離子體納米孔陣列。如果通帶需要很窄，那麼彩色玻璃就不適用了，多層幹涉濾波器是常規的選擇。現在，可以增加一種新的方法了：夾在兩層銀膜之間的單層玻璃，稱為金屬-絕緣體-金屬（MIM）F-P腔。該方法由西北大學（Evanston，IL）的一個研究組開發，這種濾波器的窄帶性能取決於其頂層銀膜的光學損耗。對於40納米的帶寬來說其峰值透射率為60%，這種過濾器是無法與最好的多層過濾器競爭的。然而，這種MIM濾波器製作起來要便宜得多。（參見《Simple three-layer silver-glass-silver optical structure serves as narrowband spectral filter》【《雷射世界焦點》在線版（LFW online）,2015年2月16日】。）
19.石墨烯成為白熾燈光源。
當III-V族半導體雷射器可以作為矽光子電路中的混合光源的時候，另一條可以追溯到託馬斯愛迪生年代的途徑也出現了——他用碳纖維做了他的第一個白熾燈泡。來自哥倫比亞大學（紐約，紐約州）的科學家和他們來自其他機構的同事已經更新了愛迪生的發明，利用石墨烯代替炭化的竹絲，放置在一個矽晶片上而不是在真空燈泡裡（見圖6）。橫跨兩個導電電極的石墨烯條，在通電時，其溫度達到2500°C以上。有趣的是，由於石墨烯直接發出的光和從矽襯底反射回來然後從背後透過石墨烯射出來的光之間的幹涉，石墨烯發出的光偏離了黑體輻射光譜。除了作為集成光學的光源之外，所生長的石墨烯條可以被集成到用於其他用途的柔性基板上。（參見《Graphene becomes incandescent light source for use in integrated photonic circuits》【《雷射世界焦點》在線版（LFW online）,2015年6月15日】）
圖6.懸空的電偏置石墨烯從會從其中心發射光。金屬電極起到散熱片的作用，但石墨烯在高溫下導熱性很差，使得石墨烯的中心比兩端要熱得多。結果是，高溫停留在中間的一個熾熱的小點上。（圖片來源：Young Duck Kim/哥倫比亞大學）
20.亞毫米大小的光學陀螺儀。
如同許多複雜的器件一樣，光學陀螺是用於飛彈，衛星和空間探測器的慣性制導系統裡的一個集成部件，如果他們能在尺寸和重量上縮小的話，會得到更廣泛的應用。來自史坦頓島大學(College of Staten Island), 紐約城市大學（City University of New York)以及耶魯大學（紐哈芬，康乃狄克州）的研究人員正是這樣做的，製造了依靠測量腔的遠場輻射的基於光學腔的陀螺儀，使光腔的尺寸減少到約10μm。微盤光腔被製成不對稱的形狀來向遠場發射規定的少量的光，在那裡這些光被兩個類似鏡頭的檢測器檢測。該陀螺儀可以集成到一個光子電路，以形成基於晶片的導航系統。（參見《Light-powered gyroscope has submillimeter dimensions》【《雷射世界焦點》在線版（LFW online）,2015年4月1日】）