回顾近一年来发表的最有趣的光学和光子学研究，本年度选择30个“有趣的故事”来反映光学和光子科学和工程领域的工作进展。《光电信息简报》对这30项进展进行了编译。

1、定制焦散技术（Customizing Causitics）

焦散技术（Causitics）——由曲面或物体反射或折射光线的包络技术，即光线强度聚焦的界面，出现在彩虹和通过酒杯水面折射的光线等背景中。在其美丽图像之下，焦散表现出强度奇点，可以分为复杂的类别。尽管焦散物质具有吸引人的传播特性，包括弯曲、加速和超聚焦光，但它们很少被人为地产生或用来作为结构光构建的基本实体。

图1.焦散结构嵌入到光束传播的横向不变概念图和实验测得的光束界面

一种特别有趣的横向结构光由所谓的传播不变或非衍射光束组成，它们在传播过程中具有固定的横向强度分布，并具有鲁棒和自修复的特征。这些光束彻底革新了用超快激光器加工纳米材料的工艺，包括高宽比的切割和沟道钻孔。它们的鲁棒传播可以减少光束畸变，最大限度地减少制造缺陷。

在传播不变光束中，贝塞尔（Bessel）和艾利（Airy）光束是焦散的基本组成。 焦散特征是横向平面中高强度集中的原因，使这些光束非常适合材料加工，它们的鲁棒和自修复性大大改善了光学薄片显微镜和三维陷阱等应用。然而，未来有可能需要任意结构和用高强度梯度来控制传播不变光束的形状。不幸的是，大多数焦散光束并不是自然无衍射的。

为了满足这一需要，科研人员最近开发了一种通用的方法来设计、定制和制造具有任意横向形状的结构焦散光。他们使用了一个智能光束设计，有利地结合了尖锐焦散边界的高强度特征和传播不变性。已经展示了各种传播不变的形状，如线形、抛物线形或类星形，但也有复杂的形状，如字母。这些强度结构在扰动下是鲁棒的，这可能使它们对安全的高维量子通信具有吸引力。该方法由一束自然光束产生出一组完整的定制的、结构传播不变的焦散光，强度集中在任何期望的边缘曲线周围。它满足了在波动物理所有领域，包括连续波或脉冲光、电子束、声波或弹性波等领域定制高强度分布的需要，并为具有复杂形状和可控能量沉积的先进高分辨率纳米加工工艺展示出很有前途的前景。

研究机构：

l University of Münster, Münster, Germany

l Aix Marseille University and CNRS Institut Fresnel, Marseille, France

l University of Rochester, Rochester, NY, USA

l University of Birmingham, Birmingham, U.K.

l University of Bristol, Bristol, U.K.

2、光分支流(Branch flow)

分支流(Branch flow)是一种普遍的波浪现象，在这种现象中，波浪形成强度增强的通道，随着它们的传播而不断分裂，从而形成一种类似于树枝的美丽图案。 它发生在波以平滑、无序的势传播时，相关长度大于波长。

图2. 左上角：从肥皂膜反射的白光的真彩色干扰图。左下角：折射率分布成像的膜厚度重建。中心：观察到的平面波的分支光流。右：当窄光束入射到膜中时，观察到的分支光流，形成窄的、高强度的分支，在无序介质中保持长距离的聚焦。

在高散射介质中，支流基本上构成了通道传输和扩散传输之间的中间状态。 首先观察到电子的情况，分支流动可以发生在几乎任何类型的波中。例如，它已在微波腔中观察到，并被提出作为海啸波的聚焦机制。

最近，科研人员提出了分支光流的实验观察。该方案依赖于激光束在薄液体膜--肥皂膜内传播。膜作为二维（平板）波导，在实验的参数范围内，支持单一的波导模。膜的局部厚度变化导致有效折射率的显著变化。为了观察光分支流，科研人员操纵肥皂膜来构建光滑厚度变化的无序分布，形成无序的相关能量。

从这些实验中，提取到了光分支流的统计性质。通过将平面波入射到无序膜中，证明了到第一分支的平均距离与测得的能量相关长度和强度计算的预测位置相匹配，遵守普遍规律。此外，通过使用窄束激励，科研人员观察到由于能量的相关性，分支强度的统计显示出重尾概率分布。最后，科研人员发现这些分支是高度无衍射的，在均匀介质中保持聚焦距离远大于相同宽度光束的衍射长度。

将分支流引入光学，为许多新的思想打开了大门，例如非线性介质中的分支流、弯曲空间中的分支流或有得失的系统中的分支流。肥皂膜的不稳定性质和高度强烈的分支带来了一种新的状态，即分支光流可能触发极端非线性现象或通过辐射压力和梯度力产生相互作用和影响无序状态。

研究机构：

l Technion–Israel Institute of Technology, Haifa, Israel

l CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, USA

3、气体中的巨大布里渊放大

空心光子晶体光纤被认为是未来光通信的支柱。这些纤维具有较低的传输损耗，这与较低的延迟、更宽的光谱传输、较高的功率损伤阈值、较低的非线性和较低的色散有关。2020年，英国南安普敦大学将空心光纤的损耗降低到0.28db/km，这个值接近标准单模光纤的损耗极限。

图3. 在不同压力下填充CO2气体的空心芯纤维中获得的布里渊增益与固体芯二氧化硅纤维的增益比较

空心芯纤维的低损耗特性都是由于光子与致密纤维材料之间的相互作用要低得多。虽然这大大减少了损失，但它也使得通过光-物质相互作用影响光非常困难，因此，大大减少了直接光放大的可能性。今年，该团队为这个难题提供了一个有效的解决方案。工作中，他们直接在填充空心芯光纤的气体介质（如空气）中使用受激布里渊散射来实现大规模的光放大，其系数为20万倍。他们还证明，空心芯光纤的增益可以比标准单模光纤强得多，并且确实可以优于波导材料中的任何非线性增益。在实验中，他们发现这些纤维中的峰值增益与气体压力的平方成正比，结果是，在气体压力只有几十巴的情况下，实际上超过了在固体材料中观察到的布里渊增益。

基于这一原理，该团队还表明，受激布里渊散射的所有先进应用（如光纤激光、分布式传感和光脉冲时间调制）都可以很容易地在空心光纤中实现，且效率更高。他们演示了一种气体激光器，首次基于光声相互作用，它可以在任何波长下工作，从紫外线到中红外。采用空心芯光纤的分布式传感显示出前所未有的温度精度和空间分辨率。它还有一关键的优势，以前空心光纤因存在完全自由的应变——温度交叉敏感性而在布里渊光纤传感中不可用，因为气体对施加在光纤上的应变不敏感。

研究机构：

l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland

4、高通量MHz真空紫外光源

真空紫外(VUV)光谱区域，从大约6到15eV，是唯一能够探测物理和化学过程的，因为几乎所有分子和材料的电离能都在这个能量范围内。因此，许多尖端光谱仪使用VUV光。包括角度分辨光电发射光谱(ARPES)，它研究材料和表面的电子结构，以及光电离质谱法(PIMS)，识别复杂混合物中的分子。

图4.独特的高通量超快VUV源高级联谐波发生

不幸的是，这种实验的范围是有限的，因为很少有高通量的VUV光束存在。 同步加速器设施以高脉冲重复频率提供明亮的VUV光，在广泛的光子能量范围内具有高能量分辨率。然而，这些设施的使用有限，科研人员必须携带样品前往。氘灯可以进入VUV区域，大约10eV，但对于许多应用来说，当与单色器一起使用时，太暗了。最后，Nd：YAG激光器的九次谐波可以在一个简单、鲁棒的装置中提供明亮、相干和单色光束，但具有较低的重复频率。

在ARPES和PIMS中应用的理想VUV光源将具有高通量、高重复频率(MHz)、输出UV到至少15eV能量范围的光子，以及可变能量和时间分辨率。今年，该团队报告了一种高级联谐波生成(HCHG)技术，以解决这一挑战。该系统通过红外光纤激光器的上转换产生UV和VUV谱线，使得每个谐波都有助于形成更高的谐波。通过将两种颜色(10W平均功率，Yb：光纤激光器的基波和二次谐波)聚焦到氙气填充、负曲率空心芯光纤中，并通过调整氙气压力以提供最佳的相位匹配，产生了3次到15次的偶数和奇数谐波。该工艺所需的峰值强度约为2×1012W/cm2，约比常规高谐波生成所需的峰值强度低50倍。正如扰动级联相互作用所预期的那样，每个谐波处的通量随谐波次数的提高而减小。然而，在每秒1012到1016个光子时，该光源在光子能量高达10.8eV的情况下可与带宽类似的同步辐射光源竞争。

这种VUV源的高重复频率可以最大限度地减少空间电荷效应、伪重合（false coincidences)和探测器死区时间。最后，小的VUV源尺寸能在一个紧凑的单色器中实现高能量分辨率。这种分辨率对于解决紧密间隔的光谱带或提供明确的目标识别至关重要。

研究机构：

l University of Colorado at Boulder, CO, USA

l KMLabs Inc., Boulder, CO, USA

l University of Colorado at Boulder and KMLabs Inc., Boulder, CO, USA

l Sandia National Laboratories, USA

５、自由电子量子光学

图5.相对论相干电子和光的空穴增强耦合。 左：在超快电子显微镜下，光子晶体板中的电子-光相互作用、电子映射的光学能带结构和Bloch模式的亚波长成像。 右：局域电子探针与微球中的whispering-gallery模相互作用，模的空间和时间成像，以及相干拓宽每个电子能量带宽的高阶光子交换。

今年，科研人员证明了光子腔可以使电子和光的耦合强度增加一个数量级以上。 研究了一种光子晶体腔(PhC)和一种光学whispering-gallery模(WGM)微谐振器，这是两种广泛使用的光子腔。在PhC中，增强表现为相互作用的记录效率，只需要微微焦耳脉冲能量。他们光学抽运了PhC，并使用电子探针在空间和时间上对模式成像，同时还恢复了完整的光学能带结构。在WGM谐振器中，他们有效地将激光耦合到微球腔模式，并实现了与每个电子相干交换的光子量子的极值。应用几纳米宽的电子探针，分析了局部WGM谱密度，并绘制了其场分布。还用电子来探测两个光子腔的环形时间。

极有效的电子-光耦合导致电子同时吸收和发射数百个光子。产生一个相干电子能量梳，延伸到数百个电子伏特。这些效应是通过大幅度延长相互作用的长度和持续时间，结合电子速度和光相速度沿电子轨迹在数百微米上的精确匹配来实现的。

未来的高Q腔，结合相匹配的相互作用，将使强的电子-光耦合和自由电子的量子光学。 微谐振器和其他光子腔代表了许多关键构件中的第一个，这些构件可以将电子束与先进的光子技术集成在一起。这将加强光子学和分析电子显微镜的结合。

研究机构：

l Technion–Israel Institute of Technology, Haifa, Israel

l University of Göttingen and Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany

l École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland

６、超快控制微激光器

传统上，超快全光开关依赖于光学材料中的非线性响应。这些微小的影响通常需要一个额外的谐振器来增强光-物质的相互作用并降低能量损耗。

然而，共振寿命与Q⁄ω成正比，影响环形时间，限制了响应时间。这对全光开关的设计提出了严峻的挑战，并在超低能耗和超快响应之间进行了权衡。一个潜在的解决方案是具有低质量(Q)因素和超小有效模式体积的等离子体纳米腔。不幸的是，金属的本征吸收意味着等离子体开关具有巨大的耦合和传播损失，超过19dB。

最近，该团队演示了一种替代的全光开关方法，可以打破这一长期的挑战：一种基于连续体(BICs)拓扑保护光束缚态物理的方法。BICs提供的非常大的Q因子可以促进光子结构对入射电磁波的巨大响应，从而增强近场增强。此外，对称保护的BIC对局部对称扰动非常敏感。这意味着，通过考虑外部激发和光学增益之间的对应关系，人们可以使用泵浦剖面来控制拓扑保护的BICs的远场激光剖面。

图6.顶部：两束时空分离的激光束泵浦样品。 底部：从甜甜圈（donut)光束剖面到两个裂片(lobes)（左)、从两个裂片到一个甜甜圈(中心)的过渡，以及从甜甜圈到两个裂片和回到甜甜圈(右)的完整过程。

对于方形周期晶格，拓扑保护的BIC激光器出现在Г点。当系统用圆形光束泵浦时，增益面积保持四倍对称性，并产生具有甜甜圈(donut)光束轮廓的BIC激光器。一旦增益区域退化到双重对称性，输出就会迅速切换到两个裂片（lobes）。 相应的时间分辨实验表明，过渡过程发生在1到1.5ps，数量级快于相应的微激光的寿命。

这种超快控制归因于先前忽略的BICs的远场特性。BIC微激光器的远场光束分布由辐射信道的破坏性干涉决定。因此，远场剖面中的过渡过程只需要重新分配激光发射，而不是要求激光模式的开关。

该工作表明，开关时间可以独立于共振寿命。通过进一步利用BICs的超高Q因子，可以大大降低激光阈值。因此，超低能耗与超快响应之间的权衡最终可能被打破。他们认为这种新的交换机制可能对光学和量子计算产生重大影响。

研究机构：

l Harbin Institute of Technology, Shenzhen, China

l Australian National University, Canberra, Australia

7、超高速时频信号处理

动态实时频谱分析(RT-SA)和高速宽带波形处理是许多重要应用的基础，包括宽带通信和雷达技术、超快表征、传感和光谱以及射电天文学研究。这些应用需要实时计算传入时间信号的傅里叶变换（FT）。此外，这种计算必须以连续和无间隙的方式进行（即在采集或处理中没有停顿时间），在GHz范围以上的瞬时频率带宽上进行，时间分辨率为几纳秒或更短。

这些性能指标超出了现有RT-SA解决方案的范围，包括最先进的数字信号处理(DSP)方法。 在其他潜在的模拟处理方案中，色散诱导的频率到时间成像使RT-SA具有短的、孤立的脉冲样信号，但它不能扩展到实践中最常发现的连续波形。 最近，他们克服了这一限制，提出并演示了一种通用的模拟信号处理体系结构，该体系结构实现了对任意（甚至无限长）输入波形的无间隙短时傅里叶变换或光谱图的直接和连续时间成像——全动态傅里叶分析或联合时频(T-F)信号表示的主要方法。

图7. 时间成像谱图概念下，被测信号(SUT)的时间采样具有采样周期TR，产生一组SUT的频移副本。 随后，通过频率相关（色散）延迟单元，这些频移光谱拷贝(间隔ωr=2π/TR)相对于彼此延迟了一个量TR。 同时延迟和频移副本之间的干涉产生了1D时间模式，遵循SUT的2D短时傅里叶变换或光谱图，以连续的、无间隙的方式进行。

所提出的方法，称为时间成像光谱图(TM-SP)，是惊人的简单。它包含短脉冲时间采样的适当组合，其次是色散延迟。TM-SP利用了色散诱导的时间Talbot或自成像效应的深厚数学。利用这一概念，他们设计并演示了一种基于光子学的方案，在接近5GHz的瞬时频率带宽上实现连续、无间隙的宽带微波信号RT-SA，时间分辨率可降至几纳秒，计算速度为每秒近50亿次傅里叶变换（FTs）。

这种性能超出了现有解决方案的能力，满足了广泛领域的关键需求。 此外，所提出的概念提供了直接访问物理时域中被分析波形的全联合T-F分布，从而为宽带波形的实时分析和处理提供了全新的可能性。

研究机构：

l Institut National de la Recherche Scientifique–Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS–EMT), Montréal, Québec, Canada

l Université Laval, Québec, G1V 0A6, Canada

l INRS–EMT, Canada

l Université Grenoble Alpes, Grenoble, France

８、硅光子学中的单向器件

在自由空间光学中，传统的单向性和隔离是通过偏置磁光材料来实现的，但这种技术缺乏CMOS兼容性。在最近的工作中，该团队将最先进的制造和逆向设计相结合，以实现硅集成器件中无偏置、低损耗单向传输。

该方法基于一种单向性的替代途径，涉及光学非线性和几何不对称。在非对称双口谐振器中，腔内强度（对于给定的输入功率）取决于激励方向。强χ非线性，如硅中的克尔效应，引起谐振器频率的移动，其大小取决于存储强度，因此取决于激励端口。由于谐振器频率控制端口到端口的传输，这种机制可以实现在一定功率范围内的大的单向性，特别是当设计成高度不对称的Fano波面时。虽然仅限于特定形式的激发，但这种方法是有吸引力的，因为它不需要外部偏置场，并且可以在标准集成光波导中实现。

图8. 左：单环设备（顶部)和级联设备(底部）的扫描电子显微(SEM)图像.右上角：几个单环（蓝点)和级联(红点）设备的传输与单向功率范围性能.单环设备必须放置在阴影区域。

该装置的几何结构由一个单环谐振器组成，通过逆向设计的耦合器侧耦合到波导。背景反射率和几何不对称性可由耦合器的几何形状及其沿波导的位置任意变化。他们演示了在4.5dBm（毫瓦分贝，以600欧姆1毫瓦为零电平的分贝）的功率范围内大于20dB的传输对比度，以及记录低插入损耗1.1dB。

重要的是，单向性发生的正向传输和功率范围不是独立的参数，不能同时最大化。科研人员通过表征不同的器件提供了该结论的第一次实验验证。背景反射率的精确控制，通过逆向设计的反射器获得，允许他们根据需要优化这两个参量。

为了更好地平衡这种单向传输/功率范围，继先前的工作之后，他们实验证明，通过在第一个硅环的特定距离上添加第二个硅环可以克服这一束缚。这种级联设备的特点是单向的功率范围为6.3dB和前向传输高达98%,很大程度上超越了单谐振器。这些无源、无偏置的单向器件对于保护脉冲源特别有用，并且非常适合渡越时间(time-of-flight)激光雷达系统，正如他们在原理证明中所示。

研究机构：

l Stanford University, Stanford, CA, USA

l CUNY Advanced Science Research Center, New York, NY, USA

9、模块化片上混合等离子体

等离子体器件难以集成的原因在于它们对金属的使用，这些金属是损耗性的。许多光在几个波长的传播后被吸收，这限制了多元素的设计。混合等离子体精致地将金属和介质结合在一起，通过在纳米尺度上实现光子小型化，同时最小化损耗，减轻了这些限制。然而，到目前为止，大多数设计仍然只涉及一次一个光子函数。一种模块化的等离子体处理方法，一种能够将不同的金属部件组装到现有芯片上以增强其功能的方法，在很大程度上是缺乏的。

图9. 顶部：工业标准波导原理图，和两个混合等离子体电路模块。 第一种形成有效的光子到等离子体旋转（绿色)；第二种形成纳米聚焦(红色）。纳米聚焦顶点在金纳米点（紫色)产生二次谐波）。底部：制作装置的扫描电子显微（SEM）顶部视图

科研人员今年的工作表明，由混合等离子体二氧化硅/金纳米层结构形成的两个不同的等离子体元件可以在标准的近红外硅光子波导上进行后处理。第一等离子体元件只在几个波长内有效地旋转入射偏振；第二分量将入射光聚焦到深亚波长模式体积。在这个过程中，已经显示出强烈增强的二次谐波产生在金纳米点（nanotip），它的顶点约为10nm。 这个实验使他们能够估计，相对于等效的金条，纳米点的光强增强了100倍以上。这三种功能：等离子体旋转、纳米聚焦和非线性增强都发生在小于10µm光传播的长度上，而传统的介电波导是无法实现的。

该技术在基于芯片的纳米显微镜、非线性和原子尺度传感、纳米连接以及纳米太赫兹源和探测器等领域有着广泛的应用。该模块化方法从根本上使混合等离子体技术更容易获得。

研究机构：

l The University of Sydney, Sydney, Australia

10、石墨烯等离子体的极端中红外光捕获

中红外和太赫兹光谱范围在分子和生物传感、食品检验和危险材料识别等领域至关重要，因为许多分子共振存在于光谱的这一部分。例如检测分子特征需要一个较强的光场，这可以通过将光场聚焦到小尺寸来实现。然而，这种限制仍然受到众所周知的衍射极限的限制。最近，该团队利用石墨烯等离子体(GPs)的特性，扩展了检测这种特征的工具包。

在石墨烯片内与电荷载流子振荡耦合的电磁场振荡，可以实现中红外和太赫兹光的特殊限制。此外，如果金属表面靠近石墨烯，它会屏蔽现有的GPs，并产生更大的压缩，达到约自由空间波长的1/300。然而，激发GPs是具有挑战性的，因此将它们的观测限制在微米尺度的结构上。这反过来又使他们的禁闭能力降低了几个数量级。

图10. 用于中红外光约束的纳米空腔。

左：石墨烯等离子体磁共振(GPMR)系统支持限制在金属纳米立方体和石墨烯片之间的红外石墨烯等离子体。 右：归一化模式体积，vmode/vfree-space，对于GPMR系统，它达到超过10亿，并且比等效的VIS/NIR系统小4个数量级。

在该工作中，科研人员开发了一种新的方法来为GPs创建纳米腔。在石墨烯片的顶部沉积了尺寸约为75nm的随机放置的银立方体。石墨烯/纳米立方体系统以石墨烯等离子体磁共振(GPMR)的形式支持受限的GP模式。他们发现，当银纳米颗粒的浓度变化但大小保持不变时，只有响应的振幅发生变化，而不同尺寸的纳米颗粒产生不同的光谱响应。因此，单个纳米颗粒的性质决定了光学响应。每个纳米立方体作为GPs的单个空腔，将它们压缩到石墨烯和纳米立方体之间的纳米尺度体积中。使用这种方法，GPs被压缩到比中红外光的自由空间模式体积小10亿倍以上的体积。

有趣的是，尽管中红外光的微米尺度波长与纳米尺度立方体之间存在很大的不匹配，他们发现GPs的激发非常有效。这是因为腔作为GP纳米天线，与红外辐射有效地相互作用，并且GPs被激发为纳米天线的磁共振模式。

研究机构：

l Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel

l ICFO–Institut de Ciències Fotòniques, Barcelona, Spain

l ICFO and ICREA–Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona, Spain

11、等离子体计算复合眼相机

摄影和显微镜中使用的传统相机采用人眼结构；镜头用于将感兴趣的物体的图像投射到光电探测器阵列上。这种设置可以提供良好的空间分辨率，但由于像差效应，它需要平衡小尺寸和大视场（FOV）。在自然界中，通过进化来解决这个问题的解决方案是复合眼，普遍存在于昆虫和甲壳类动物等最小的动物物种中。

典型的复眼包括一个密集的阵列，许多成像元件指向不同的方向。不幸的是，它们的弯曲几何与标准的平面半导体技术不兼容，严重复杂化了它们的光电实现。因此，制造人工复合眼需要开发复杂的非传统制造工艺，限制了其可制造性和可实现的分辨率。涉及透镜阵列的平面几何已经被研究，但受微透镜f数限制，只能实现小视场（小于70°）。

最近，科研人员报道了一种新的复合眼相机结构——利用元表面（metasurface)纳米光子学的巨大设计灵活性和计算成像的先进数据处理能力，以平面无透镜格式提供大于150°的超大视场(FOV)。在这种结构中，标准图像传感器阵列的每个像素都涂上专门设计的金属纳米结构。该结构只发射沿一个小的、几何可调谐的角度分布的光。然后，计算成像技术能够从所有像素的组合信号中进行高质量的图像重建。他们设计、制造和表征了一组近红外器件，提供了在不同角度的峰值方向光探测，然后根据它们的角度响应图展示了它们的成像能力。

图11. 左上：常见节肢动物的复眼. 顶部中间：开发的设备示意图. 右上角：设计仿真结果显示了不同器件响应率的极角依赖性. 左下角：测量具有代表性的器件的光电流与极性和方位角照明角的关系. 底部中间：成像几何示意图. 右下角：重建图像的例子

由于它的无透镜性质，这种方法可以比现有方案实现进一步的小型化和更高的分辨率，以及一个潜在的简单的制造工艺，兼容现有的图像传感器技术。他们相信，这些结果对于需要极端尺寸小型化和超大FOV的应用是非常重要的，例如尖端芯片（chip-on-the-tip）内窥镜、可植入或可吞咽的相机和无人机自主导航。此外，元表面（metasurface）技术和计算成像的协同结合有望实现先进的成像功能。

研究机构：

l Boston University, Boston, MA, USA

12、用光进行纳米绘画

颜色是光与原子和分子离散能量状态的共振相互作用的结果，是人类视觉感知的主要属性。它在成像和显示技术以及艺术方面都起着至关重要的作用。在今年的工作中，该团队展示了用一个特殊设计的元表面来调整透射光中的颜色色调和亮度的能力——创造了一幅有足够细节水平的“纳米画”，再现了一件著名的艺术品。

使用纳米结构表面的颜色工程领域的大多数工作都集中在实现高色域和饱和度，同时在传输或反射时保持所需颜色的亮度。虽然这种设备表现出较高的传输或反射效率，但产生的颜色的亮度是固定的。然而，由于亮度（以及色域和饱和度）是颜色的基本特性之一，因此需要对亮度和色调进行有效和平滑的调整传输透视、厚的甚至三维的影像。

在该工作中，科研人员展示了通过有效控制整个可见光谱范围内结构颜色的亮度实现纳米绘画的能力——一幅毫米尺度的图像显示微妙的颜色和阴影细节，就像用纳米刷子创建的那样，使用低损耗的介电元面技术实现了复制1665年荷兰艺术家Johannes Vermeer的杰作（女孩与珍珠耳环）。表面包括一个空间变化尺寸的二氧化钛纳米颗粒阵列，它决定了输出颜色的色调以及旋转方向，由此决定了亮度。

图12. 左：产生全彩色纳米画的原理图。插图：制备的TiO2纳米颗粒。标尺：500 nm

右：白光通过偏振片、元表面和分析器产生的实验彩色图像。 标尺：50μm

纳米颗粒被设计成单独的窄带半波板，能够旋转线性偏振入射光的偏振，用于目标滤色——红色、绿色和蓝色。在白光照明和正交偏光镜--分析器取向下，元表面生成的图像逼真显示了这幅画的高分辨率复制品，展示了它的标志性主题，穿着蓝色头巾、金色夹克、明亮的白领和发光的珍珠耳环。场景沐浴在定向光中，戏剧性的外围阴影无缝地融合到黑色背景中。非常平滑的色调和亮度转换再现了一种类似于油画的外观——说明纳米技术能够满足Vermeer对颜色、光和阴影的熟练渲染。

研究机构：

l Nanjing University, Nanjing, China

l National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA

l Smithsonian Institution, Washington, DC, USA

13、多功能衍射平板光学

透镜是任何成像系统中最基本和最基本的元素。然而，传统的屈光透镜由于其曲率而体积庞大。平板衍射透镜可以克服这一困难，但传统的衍射光学镜片的有天花板，主要是由于存在色差。

最近，科研人员已经证明，通过将“成像”现象简单地看作是从物体到图像平面的信息传递，相位在焦平面上的空间分布可以是一个任意的函数。（这里指的是标量电磁场的相位，但是这个参数对矢量场同样有效。）在绝大多数成像应用中，只有图像传感器记录的强度才是产生图像的主要兴趣。

应用这一概念，他们已经证明，允许平面透镜的图像平面中的相位是一个自由参数，通过仔细设计不同的衍射表面，可以使平面、多级衍射透镜(MDLs)的成像特性具有前所未有的通用性。他们在这种平面透镜中显示的特性包括超消色差(super-achromaticity)，极焦深(EDOF)和高数值孔径。在不同情况下，设计原则和方法保持不变，唯一的变化是为所需的MDL属性制定设计优化的优值图。这些平透镜可以很容易地制造使用一步灰度光刻。

图13. 左上角：多级衍射透镜(MDLs)可以实现极深的聚焦、大的工作带宽和高的数值孔径。 右上角：典型MDL的扫描电子显微照片。 中间行：高NA MDL（右)的极端聚焦深度(左）和MTF的实验演示。 底部行：在可见光(Strehl比=0.8)、近红外(NIR)和长波红外(LWIR)波段拍摄MDL图像。 最右边的面板显示具有单个MDL和多个传感器的可见光-近红外(NIR)-长波红外(LWIR)复合图像。

他们已经演示了一个MDL，实现了超过四个数量级的极端聚焦深度。使用这个平板透镜，在实验中他们能够对分离距离大约为6米的物体保持巨焦。当λ=0.85µm的准直光线照射时，MDL产生了一束聚焦在5毫米到1200毫米之间的光束。他们还演示了在LWIR(8-12μm)、可见到近红外(0.45-1μm)、可见到LWIR(0.45-15µm)、甚至远红外(1.5-150μm)中工作的超消色差MDL。 最后，他们成功地演示了厚度小于1.35µm，直径为4.13毫米，NA=0.9，工作波长为850nm(带宽约为35nm)的MDL。

研究机构：

l University of Utah, Salt Lake City, UT, USA

l Oblate Optics, Inc., San Diego, CA, USA

14、热光工程波前整形

将可调变焦镜头集成到毫米厚的手机、微型显微镜或医用内窥镜的远端需要复杂的光学系统，可以在毫秒内电整形。虽然液晶空间光调制器是高分辨率波前整形的首选工具，但它们的偏振灵敏度、色差、成本和尺寸限制了它们在光学实验室之外的应用。

科研人员最近证明准无色差 、偏振不敏感的电气元件，可以应用预定的、连续的局部波前整形实现，在微尺度上具有前所未有的自由度－－没有任何机械运动。他们称这种方法为智能透镜（Smartlens），电流通过一个良好优化的微米级电阻来调节。局部加热改变了电阻器周围透明聚合物板的折射率分布。就像海市蜃楼把光线通过热空气来制造遥远湖泊的错觉一样，这个微尺度的热区可以精确地控制光束偏转。小的，微米级的智能透镜（Smartlenses）迅速升温降温；在毫秒内，一片简单的聚合物可以变成透镜和背面。

图14. 顶部：可调谐微光学器件（左)中的电控电阻加热器引起温度(中心）的变化，及在温敏材料中折射率变化(右）。通过遗传算法优化，可以确定所需波前形状的最佳电阻几何形状。底部：用于（从左到右)离焦(发散透镜)、平面波形(活塞piston)、垂直散光(圆柱透镜)和锥形表面(逆向轴棱镜)的实验波阵面。

由于智能透镜（Smartlenses）可以制作成阵列，他们证明，由于大多数热光系数的色差相对较小，通过激活位于它们前面的智能透镜（Smartlenses），可以同时将位于非常不同距离的几个彩色物体聚焦到相机传感器上。此外，通过对热扩散和光传播的建模，并利用遗传算法进行优化，他们证明了这种方法可以超越简单的透镜。事实上，一个适当的工程电阻器可以用高水平的控制来成形光束，并实现广泛的光学功能，包括散光、轴突或自由形状－－例如，动态校正光学仪器的像差。值得注意的是，智能透镜（Smartlens）技术非常紧凑、成本效益高和可扩展。他们认为，它有潜力应用于高端技术系统以及简单的面向最终用户的成像设备，并可能对当前的集成光学系统产生重大影响。

研究机构：

l Université Paris Descartes, Paris, France

l Sorbonne Université, Institut de la Vision, Paris, France

l ICFO–Institut de Ciències Fotòniques and ICREA–Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona, Spain

l ETH Zurich, Switzerland

15、涡旋辅助瞬态微透镜

将光聚焦到超衍射极限是光学科学中最大的挑战之一，并将使许多光学技术（从成像、光学捕获到光传递、光子医学）发生革命性的变化。为实现亚衍射聚焦，开发了具有工程散射特性或附加微球的超材料。最近，科研人员研制了一种方法来实现超衍射极限的物理聚焦，不需要额外的光学元件或外源标记，只使用光和物质相互作用。

为了实现探针光束（附图中的绿色光束）的紧密聚焦，可忽略被样品吸收，他们的技术使用不同波长被样品强烈吸收的辅助光束（红色）。在水基溶液中，折射率的温度依赖性为负(dn/dt<0)。这样，辅助光束由涡旋相板形成甜甜圈的形状产生瞬态吸收，即中心有衍射受限空隙的环。这种热廓线在聚焦透镜的腰部产生折射率梯度，在环的中心有最高的折射率，并且指数单调地向边沿下降。这一过程有效地形成了直径等于光学衍射极限的瞬态收敛微透镜。因此，当探针光束通过受控成形的微透镜（准直或聚焦）时，它将收敛到比传统光学系统能达到的更小的焦点，正如他们实验证实的那样。

图15. 左：涡旋辅助聚焦原理图。中心：衍射受限光斑与涡旋辅助聚焦得到的衍射受限光斑的实验比较。右：扫描显微镜图像USAF分辨率图：没有涡旋板（左)和有涡旋板(右）。可以定量地从标记区域的线图看到图像分辨率增强。

由于成形热廓线需要短脉冲持续时间，该成像方式的曝光通量低于组织的损伤阈值，使其适合于生物应用。较小的焦点也可以作为扫描探针，在没有任何标记过程或材料插入的情况下以优异的分辨率成像，在光学结构上实现了很高的灵活性。

研究机构：

l University of Maryland, College Park, MD, USA