跨越学科
助力光控元件
微纳光学的发展得益于20世纪80年代纳米技术的诞生以及近些年来材料生长与精密加工技术的进步，在纳米量级的尺度上许多宏观无法体现的新的光学特性得以显现。
热等离子体是一个跨学科的研究领域，通过合适的、共振的光源和贵金属纳米粒子之间的相互作用导致纳米尺度的加热，科研人员通过实现新一代光控光学元件扩展了热等离子体在光学中的应用。
科研人员把金纳米颗粒的光热特性与液晶材料的热敏特性相结合，利用热等离子体与共振光源的相互作用，研发出一种光控光学元件。
元件由金纳米棒及两种折射率匹配的液晶（PLC、NLC）组成，在关闭状态时，是一个透明的光学窗口，光束可直接通过，不会发生衍射现象；当外加一束合适的光（λ=808 nm）时，元件上的纳米粒子会被激发，使热等离子体被加热，温度变化使构成元件的两种液晶材料折射率不匹配，形成光栅结构，会使通过的光发生衍射。
热等离子体激活的反模衍射光栅的原理
研究表明，该结构不仅可以被设计为光控光栅，还可以实现一个可变波板，为检测光致温度变化提供新方法。研究人员正在利用这一设计，实现新一代生物医学热传感器。
此外，该研究还具有更深远的意义。我们知道，电场常用来对光学元件进行控制，而聚合物常常不允许被电场控制。这种利用热等离子体实现光控的设计有望应用在这些聚合物上，开辟了光可控光子学的新领域，扩展了热等离子体在光学上的应用。
原子制造
突破摩尔定律
摩尔定律暗示着依靠目前的微电子技术，未来芯片的性能终将受到限制。“原子制造”是指在原子尺度上对材料进行精细地制造、加工、调控，这一技术有望突破摩尔定律。
2019国家纳米科学中心联合其他团队，用碳纳米管代替金属纳米针尖实现了光场驱动的电子脉冲发射。
在可见激光的激发下，碳纳米管可发射出电子，其产生的飞秒电子能量散度最低达0.25 eV，满足了原子级分辨的要求，使得原子尺度的材料加工成为可能。
碳纳米管光场发射示意
论文中提到，除了低能量散度，碳纳米管还具有更好的光调控性能，而且认为这项技术有望在未来为“原子制造”提供新的技术手段。
“不对称”
驱动纳米马达
近年的研究预测，被困在光场中的不对称的纳米粒子对会引起光的不对称散射，并使粒子对沿垂直入射光的方向运动。
近期，科研人员在实验中观察到了这种定向运动，证实了之前的预测，为光控纳米马达奠定了基础。研究表明，通过对光与纳米粒子对的散射进行控制，可以在纳米尺度上控制力和力矩。
实验测量的异二聚体和同二聚体的运动;
异质二聚体运动朝向较大的粒子
论文指出，利用该原理实现的纳米马达在生物传感和材料科学领域都将有重要的应用。
超强激光
重构极端环境
2019年，中国已经建成3个标志性的超强激光系统，它们分别是神光-Ⅱ5PW激光器、四川CAEP-5PW激光器、中国科学院上海光学精密机械研究所强光SULF-10PW激光器。
BELLA PW激光器
激光调制方面，Max Born研究所的科学家已经研制出第一种聚焦极紫外光束的折射透镜，并将结果发布在《Nature》上。这种透镜由原子射流形成，而不是使用在极紫外区不透明的玻璃透镜。
原子气流透镜聚焦紫外光示意
跨学科方面，德国耶拿大学与莱布尼茨光子技术研究所的科研人员在CDJS Jena癌症诊断成像解决方案项目中利用光学方法，实现了手术过程中快读、温和、可靠的癌症诊断。
论文中表示，高功率密度的激光可以实现更加极端的物理条件。高强度激光器能重构出宇宙中最极端的条件来服务于基础物理研究。另外，高强度的X射线脉冲可以用于探测超快时间尺度上的微观物质动力学演化过程。
激光在其他领域中也有重要的应用前景。工业上，激光可对材料进行精密加工与老化程度评估。医学上，激光有望用于治疗和检测肿瘤。
量子通信
开辟崭新道路
在光源方面，研究人员利用硅纳米光波导中非线性自发四波混频效应，制备出性能优越的硅基片上双光子偏振纠缠量子光源，并在此基础上实现了四光子源。
由于该光源在硅基片上实现，因此可以和目前十分成熟且应用广泛的CMOS工艺更好地结合，同时也可与目前光纤量子通信系统衔接。
用于生成和表征硅基片上多光子源的系统示意，
主要包括3个部分：泵浦激光调制、
多光子源产生和量子态分析
该系统优越的兼容性可为日后量子光学技术在通信、计算和精密测量等领域的应用打下重要基础。
在远程光纤量子密钥分发方面，研究团队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，有效降低了该类协议的复杂度，突破了异地孪生光场制备和长距离信道相位补偿两大核心技术。
双场量子密钥分发实验系统
量子网络方面，科研人员实现了全光量子中继器的原理性验证，为构建远距离光纤量子网络奠定了基础，成功验证了全光量子中继器的可行性，为实用化量子中继器开辟了崭新的道路。
光子芯片
步入实际应用
5G时代渐渐来临，无线通信流量正以惊人的速度增长，但传统微电子技术在处理这种增长时面临重重困难，用“光”取代“电”成为了人们解决这一瓶颈的新思路。
微波光子学（MWP）将无线信号传输与处理的挑战从电子领域转移到了光子领域。此前的MWP芯片已在实验室测试中得到了证实，但距离真实的应用还有差距。
而近期的研究已将这一差距逐渐缩短甚至完全打消，性能更稳定的通用微波光子芯片甚至可直接用于实际场景。在中国西南地区的现役高速铁路沿线，该微波光子芯片已被用于探测电磁干扰、宽带通信和远程高清视频接入。
通用微波光子学多功能集成光子芯片的应用
论文指出，这项工作可以被认为是户外场景中集成微波光子学实时、日常应用的第一个范例，也是未来该技术走向大规模日常应用的关键一步。
人工智能
助力光学检测
在光学领域人工智能也受到了越来越广泛的关注与应用。
微观粒子常常被人们当作探测微环境的局部探针使用，为人们揭开一个个微小的细节，粒子跟踪则是光学领域内实现微观探测的关键技术。
2019年，科研人员基于卷积神经网络引入一种完全自动化的深度学习方法，该方法被命名为DeepTrack。
DeepTrack在有噪音和不稳定照明的条件下依然能实现对多种粒子类型的亚像素分辨率，大大超越了标准的算法。
该技术为粒子跟踪技术提供了新的思路，有望在未来的生物医学、生物光子学等领域具有实用且可靠的应用。
作者简介：沈卫星，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，高级工程师，研究方向为光学检测；朱健强（通信作者），研究员，研究方向为高功率激光技术。
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