中國雷射雜誌社發布2019年中國光學十大進展

量子密鑰分發、光子晶片、智能雷射器、全色雷射顯示等20項重大光學進展入選。

中國雷射《返樸》專稿

今天（3月20日），中國雷射雜誌社發布「2019年度中國光學十大進展」（第十五屆）。量子密鑰分發、光子晶片、智能雷射器、全色雷射顯示等20項重大光學進展入選（基礎研究類與應用研究類各10項）。由於成果本身突出的學術水平，以及評審專家的嚴格公正，這一獎項，已經在學術界被廣泛認可。

中國光學十大進展評選由中國雷射雜誌社發起，經過首輪推薦、初評、終評三個環節，最終20項優秀的光學成果從110項研究進展中脫穎而出，入選2019年度中國光學十大進展（基礎研究類與應用研究類各10項）。評選委員會由48位光學與光子學領域的專家組成，綜合考慮候選成果的學術價值和應用價值，從候選成果中初評30項進入終評，並以無記名投票方式產生「2019年度中國光學十大進展」。

2019年度中國光學十大進展分別為：

基礎研究類

1

微腔表面對稱性破缺誘導非線性光學

北京大學肖雲峰教授和龔旗煌院士的研究團隊與其合作者，利用超高品質因子回音壁光學微腔極大增強光與物質相互作用的優勢，在二氧化矽微球腔中獲得了顯著的二次諧波和二次和頻信號。為了有效發揮微腔「雙共振」增強效應，研究人員發展了一種動態相位匹配技術，利用光學微腔中熱效應和光學克爾效應的相位調製，高效地實現了基波和諧波信號同時與微腔模式共振。實驗上獲得的二次諧波轉換效率高達0.049% /W，相比傳統表面非線性光學的結果增強了14個數量級。

通過進一步對基波偏振和二次諧波模式場分布的測量分析，成功提取得到只有表面對稱性破缺誘導的非線性信號，排除了體相電四極響應的幹擾。這種表面對稱性破缺誘導的非線性信號還可以作為一種超高靈敏度的無標記「探針」，用來檢測和研究材料表面分子的結構、排布、吸附等物理、化學性質。

2

近場光學旋渦中的光學斯格明子結構

深圳大學杜路平、袁小聰教授與其合作者發現，在光學近場條件下，光的自旋-軌道角動量之間的耦合會形成一種與磁斯格明子相同的光學自旋分布。對於隱失波條件下的光學旋渦光場，其自旋矢量分布呈現一種Neel類型的斯格明子的態，即自旋矢量沿著空間徑向方向從向上（或向下）的態逐漸轉變為向下（或向上），這取決於光學旋渦的旋轉方向；而對於緊聚焦條件下的光學旋渦光場，其自旋矢量分布呈現一種Bloch類型的斯格明子（自旋矢量沿著空間角向方向變化）。

這是在國際上首次發現並報導了近場光學旋渦中由光的自旋-軌道耦合形成的光學斯格明子結構，為微納尺度的光場調控提供了全新的思路。研究發現，在這種光學斯格明子內部，其偏振態的變化非常劇烈。對於可見光波段的近場光學旋渦光場，其偏振的精細結構半高寬可以達到10 nm以下（<λ/60），遠遠突破光學的衍射極限（<λ/2）。

3

首個三維光學拓撲絕緣體

浙江大學陳紅勝教授課題組與其合作者，成功研製了首個三維光學拓撲絕緣體，將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，有望大幅度提高光子在波導中的傳輸效率。

在設計三維光學拓撲絕緣體時，該團隊提出並設計了具有很強電磁雙各向異性特性的開口諧振器結構電磁材料，該電磁單元結構由於Z方向上的空間反演對稱性破壞，引入了電磁雙各向異性（bi-anisotropic）耦合，起到了類似Kane-Mele 自旋軌道耦合（SOC）作用。該團隊利用先進的電磁波三維掃描成像技術，對三維拓撲結構內部及疇壁面電磁波成像，並提取電磁波模式的色散特徵。利用上述手段，成功地在實驗中觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態。團隊通過對三維彎折面上拓撲表面態的成像，實驗驗證了表面波在界面傳播時能夠無障礙地繞過Z型疇壁拐角。這一現象表明，對表面電磁波來說，這些拐角就像被「隱形」一樣，而能夠繞過拐角實現高效傳播正是受益於三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。

4

高效穩定非鉛滷化物雙鈣鈦礦暖白光

5

兼具高亮度和高效率的量子點發光二極體

河南大學申懷彬、李林松、杜祖亮教授等人與其合作者，從發光層量子點的設計入手，基於「低溫成核、高溫長殼」的技術，合成了螢光量子產率高、穩定性強的硒陰離子貫穿的CdSe/ZnSe新型核殼結構量子點。基於這種新結構體系，研究團隊獲得的紅綠藍三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分別達到356,000 cd/m^2、614,000 cd/m^2、62,600 cd/m^2和21.6%、22.9%、8.05%。該工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的關鍵難題，首次實現了兼具高亮度高效率的紅綠藍三基色QLED器件，有望加速推進QLED在高亮高效顯示和照明領域應用的進程。

6

雙層三碘化鉻中由層間反鐵磁誘導的非互易二次諧波

復旦大學吳施偉課題組與其合作者，將光學二次諧波的方法引入雙層三碘化鉻（CrI3）反鐵磁狀態的表徵，成功觀測到了雙層體系對二次諧波的巨大響應。雙層三碘化鉻在反鐵磁態下，其磁結構不但打破了時間反演對稱性，也同時打破了空間反演對稱性，由此產生強烈的非互易二次諧波響應。研究發現雙層CrI3在低溫下的堆疊結構是單斜（monoclinic）晶格，而不是體材料的菱面（rhombohedral）晶格，為研究二維材料中堆疊結構與層間鐵磁、反鐵磁耦合的關聯提供了關鍵性的實驗證據。

7

首次利用臺式化高重頻飛秒雷射器驅動千特斯拉強磁場自組織放大

中科院上海光機所劉建勝、田野課題組，利用一束飛秒預脈衝雷射產生膨脹的高溫稠密等離子體半球，然後再利用一束飛秒強雷射驅動強流電子束誘導等離子體韋伯不穩定性的增長。實驗中，通過採用時間分辨的陰影成像和法拉第磁光偏振旋轉測量，觀測到了周期分布的電子成絲結構以及強度高達千特斯拉的強磁場陣列及其演化過程，峰值磁場強度達2 kT，持續時間2 ps。研究揭示了強雷射驅動的來自內部稠密等離子體區域的高能電子發射誘導了電子韋伯不穩定性的非線性增長，產生了周期結構的電子成絲以及磁場的放大。本項研究結果開闢了利用小型化雷射裝置研究高能量密度物理及實驗天體物理的新途徑，可以更深入地研究和理解磁場的產生、放大、磁重聯及天體現象的本質。

8

關鍵量子信息器件——「三高」量子糾纏光源研究

中山大學王雪華教授團隊與其合作者，提出一種能克服光子側向和背向洩漏、並能極大提高光子前向出射的新型微納「射燈」結構，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過90%、最高可達95%，在國際上率先製備出同時具備「三高」——高亮度、高全同性、高糾纏保真度的量子糾纏光子對源。

9

壓縮超快時間光譜成像術創造超快成像新紀錄

西安交通大學陳烽教授團隊與其合作者，提出了一種基於時頻變換思想的「壓縮超快時間光譜成像術（CUST）」。CUST通過對飛秒雷射進行數字編碼，並在時間和光譜維度上進行壓縮和解壓縮，從而能夠同時實現高速度、高幀數以及高光譜解析度。CUST的超高幀率可以達到3.85 THz （1 THz=10^12 Hz），和亞納米級超高光譜解析度。這一研究成果使得長時間、寬光譜地記錄飛秒影像成為可能，將推動更多涉及超快過程的極端物理、化學、材料和生物學的研究。

10

光的波粒二象性的可控量子疊加

南京大學馬小松教授和祝世寧院士課題組利用多光子糾纏態的非局域特性，構建了遠程的量子邏輯門。在該實驗中，他們使用了另外一對糾纏光子作為控制單元，利用糾纏光子對去調控在波動性與粒子性之間切換的實驗主體光子。為了實現嚴格的非局域量子控制，控制單元需要遠離實驗主體單元，也就是要滿足「愛因斯坦局域性」條件。通過審慎地規劃設備位置和校時，他們實現了相關事件在相對論意義上的隔離。實驗成果證明了：光既能以粒子態或者波動態存在，也能以二者的量子疊加態存在。而且，這一量子疊加的性質是可控的。該項工作為未來的量子技術提供了新的控制手段。

應用研究類

1

可密集集成和任意路由的模分復用光子晶片

哈爾濱工業大學（深圳）徐科副教授、宋清海教授與其合作者，利用一種離散化的波導超結構，在亞波長尺度對波導局部介電常數進行任意地優化，通過算法設計出具有特殊光場調控功能的亞波長結構。研究人員針對片上模分復用信號任意路由的需求，設計並製備了模式（解）復用器、多模彎曲波導、波導交叉等關鍵器件，器件能同時支持TE0, TE1和TE2模式，尺寸僅為數微米，比傳統器件縮小了一個數量級，且與標準矽光流片工藝完全兼容。基於上述研究結果，研究人員進一步設計了任意布線的光子迴路來驗證高速模分復用信號的片上傳輸和互連性能。實驗結果表明，對於兩組任意設計的模分復用光子迴路，均實現了三模式復用的高速信號（3×112 Gbit/s）的傳輸。對於PAM-4和DMT高階調製格式，誤碼率均達到了前向糾錯閾值（FEC）以下。這為片上多模光學系統的大規模集成解決了模間串擾和損耗問題。

2

基於類人算法（HLA）的智能鎖模雷射器

上海交通大學義理林教授課題組提出了基於類人算法（HLA）的智能鎖模雷射器。其中，ADC負責採集雷射器輸出波形，相當於人為調節鎖模過程中的人眼識別波形；DAC負責輸出直流信號調節EPC，相當於人為調節鎖模過程中的手動調節偏振態；FPGA負責對採集到的波形進行分析和鑑別同時運行HLA，相當於人為調節鎖模過程中大腦判斷是否鎖模並控制手動調節。在最快的測試中，開機自動鎖模僅需0.22 s，失鎖恢復則僅需14.8 ms，均大幅刷新了之前的記錄，具有重要的產業應用價值。

3

基於多角度幹涉的三維多色活細胞超分辨光學顯微鏡

浙江大學劉旭教授和匡翠方教授課題組，在超時空分辨活細胞成像系統和方法研製方面取得突破，開發出了新型的光學超分辨成像技術——多角度幹涉顯微鏡（MAIM）。研究人員從照明光場調製和頻域調製角度入手，巧妙地將多角度全內反射照明引入到結構光照明顯微技術中，搭建了一套基於非共軸幹涉系統的新型光學成像系統。該方法結合了結構光照明顯微技術和多角度全內反射照明顯微技術，實現了橫向解析度~100 nm，軸向解析度~40 nm的三維超分辨成像。在成像速度提升方面，課題組通過利用變角度倏失場照明下的結構光成像，結合計算成像模型，使得三維成像速度大大提升，可對活細胞表面結構進行快速、長時程、多色和三維超分辨成像研究。

4

無磁光場非互易放大

華東理工大學龔尚慶教授、鈕月萍教授團隊與其合作者，將原子熱運動導致的都卜勒效應和拉曼增益結合，提出了可在自由空間實現光波波段非互易放大的原創性方案，並在實驗上進行了驗證。常溫銣原子氣體中完成的相關實驗，獲得了26 dB的前向放大和30 dB的反向隔離。當信號光和控制光同向傳輸時，其感受到的都卜勒效應和控制光場相同，此時信號光可以無吸收通過。在泵浦光場的作用下，增益通道打開，信號光被急劇放大。反之，信號光被強烈吸收。這一方案為常溫工作、易於調控、小型化可集成的無磁非互易放大器研製提供了新的途徑。

5

5

大帶寬、低損耗、高效率、高集成度的矽基電光調製器

中山大學蔡鑫倫、餘思遠課題組與其合作者，通過在矽基晶片上混合集成具有優越線性電光效應的鈮酸鋰薄膜材料，充分發揮矽和鈮酸鋰這兩種重要光子學材料各自的優勢，實現了創新的「矽與鈮酸鋰混合集成電光調製器」。

該器件實現了遠超傳統純矽電光調製器的調製帶寬 (> 70 GHz，達到現有測試系統極限）、創紀錄的低插入損耗 (< 2.5 dB) 、高於傳統鈮酸鋰調製器4倍以上的調製效率 (2.2 Vcm) ，並具有高線性度、高集成度以及低成本等優異特性，其加工方法可以與標準CMOS工藝後端兼容。研究人員還進一步演示了112 Gbps超高數據調製速率以及170 fJ/bit的低功耗。所有材料與加工工藝完全依靠國內自主條件，具備完全的自主智慧財產權。

6

採用反向外延技術實現晶圓級亞50 nm周期的多層膜光柵器件製備

中科院上海微系統與信息技術研究所歐欣教授與同濟大學合作者，提出了一種製備大面積超高線密度光柵的新方法，它基於自下而上的自組裝原理，利用低能離子轟擊在半導體材料（Ge）表面激發空穴的類外延生長，形成高度規則的納米溝槽陣列，溝槽周期達到亞50 nm水平，形狀類似對稱的閃耀光柵結構，光柵線密度相當於2萬線/毫米。在此基礎上，將納米光柵與多層膜相結合，形成三維多層膜光柵結構，實驗角色散性能比現有成熟技術製備的最高線密度光柵（5000線/毫米）高6倍。該技術已經獲得三項中國發明專利和一項德國專利的授權，具有完全自主智慧財產權。

7

高性能藍光單模微納雷射

8

突破線性界限的光纖量子密鑰分發系統

中國科學技術大學郭光燦院士和韓正甫教授領導的量子密碼研究組首先在理論上提出了免相位後選擇的雙場量子密鑰分發協議，有效降低雙場類協議的執行複雜度。研究人員突破了異地孿生光場製備和長距離信道相位補償兩項核心技術，使得該協議在300 km常規商用光纖信道中，率先完成了超越線性界限的高密鑰生成率實驗，為實現無中繼長距離城際量子密鑰分發網絡邁出了關鍵的一步。

9

動態平面光子元件

南京大學胡偉教授、陸延青教授團隊與其合作者，挖掘利用膽甾相液晶（CLC）內稟的外場激發響應特性，混合具有相反手性的光敏分子機器和手性劑，獲得可光控手性翻轉的自組裝螺旋超結構。進一步利用液晶光配向技術誘導其圖案化組裝，獲得了光束偏折器、微透鏡、艾裡光/渦旋光產生器等系列平面光子元件。經由特定波長光照激發，上述元件可在綠光至通訊波段超過1000 nm的波長範圍內雙向連續調諧。與此同時，手性翻轉會伴隨著幾何相位的共軛反向，帶來元件功能（如光束偏折方向、聚焦/發散狀態、渦旋光旋向）的光控可逆變換。該研究為動態平面光子元件的設計與製備提供了一種嶄新的實用方案。

10

基於有機列印微納雷射陣列的全色雷射顯示

中科院化學所趙永生、閆永麗研究員及其合作者，充分發揮有機材料在溶液加工方面的優勢，利用噴墨列印的方式精準構建了紅綠藍微納雷射陣列作為顯示面板。顯示面板上每個像素點都由三個獨立的紅綠藍雷射器組成，遠場圖像表明，這樣製備的像素點具有良好的混色效果，且色域覆蓋範圍超過標準RGB空間的45%。在一塊3×5陣列面板上實現了基於三原色的數字、字符顯示，通過顏色混合可以得到其他的各種顏色。選用較大面積的陣列面板能夠顯示更加複雜的圖案。調控面板上單個像素點的雷射出射還實現了圖案的動態顯示，用於信息滾動播出，視頻播放等。研究首次實現了主動發光平板雷射顯示，為發展高性能、易加工的平板雷射顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。