中國激光雜志社23日發布了“2021中國光學十大進展”。經過評審委員會多輪遴選，冰光纖、小型化自由電子激光等10項前沿進展入選“2021中國光學十大進展”基礎研究類；六維光信息複用、能降溫的光學超材料織物等10項進展入選“2021中國光學十大進展”應用研究類；此外，魔角激光器、光電智能計算、高效白色發光二極管等19項成果分別榮獲“2021中國光學十大進展”提名獎（基礎研究類）與“2021中國光學十大進展”提名獎（應用研究類）。
基礎研究類（10項）
1.彈性冰單晶微納光纖
在人們的常識中，冰是一種透明易碎的脆性物質，沒有彈性、無法彎折，難以像玻璃一樣被制成光纖用來傳輸和調控光。浙江大學光電學院童利民教授、郭欣副教授團隊與合作者們發現生長成單晶微納光纖的冰，在性能上與玻璃光纖相似，既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光，還可以通過顯微拉曼光譜研究冰的相變特性，有望在低溫光學導波、光學傳感及冰物理研究等方面獲得應用。
2.PT對稱和非厄米拓撲態的非線性調控
如何實現兼有多重特征的人工複雜體系去探索自然界新奇現象，是當今國際上最活躍的前沿課題之一。南開大學陳志剛、許京軍課題組及合作團隊搭建了同時具有非線性、非厄米和拓撲特性的光子學平台，實現了非線性對宇稱時間對稱性和非厄米拓撲態的調控，發現了非厄米體系中拓撲態接近奇異點時敏感性和魯棒性的拮抗效應。這一創新成果改變了人們對開放拓撲體系中非線性效應的認知，爲非厄米拓撲及其相關前沿領域的研究開辟了新方向。
3.激光尾波場加速驅動的台式化自由電子激光
中科院上海光機所電子加速研究團隊等，依托于“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”，在國際上首次實現基于激光尾波場加速的極紫外波段的自發輻射放大輸出，完成了台式化自由電子激光的原理驗證，對于發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。
4.雙折射晶體中發現“幽靈”雙曲極化激元
華中科技大學張新亮、李培甯教授課題組與國家納米科學中心戴慶研究員、新加坡國立大學仇成偉教授等國內外團隊協同創新，發現傳統雙折射方解石晶體中存在“面-體”複合的新型“幽靈”雙曲極化激元，這種新型激元既受表面束縛，又在晶體內部以傾斜波前傳播，表現出世界記錄長的各向異性納米光傳輸特性和極強光場壓縮能力。該研究發現爲光物理基礎研究提供原創新思路，有望在實現納米尺度光場、熱場操控方向上展現出應用潛力。
5.阿秒電子動力學的直接繪圖
通過飛秒光場直接度量電子的亞周期動力學特性，可以提供阿秒級時間分辨率，但飛秒激光與超短電子脈沖之間難以實現高精度時空同步。中科院上海光機所研究團隊等通過高對比度飛秒激光與等離子體鏡作用，實現了電子與激光時空同步，在實驗中觀測到阿秒電子脈沖在激光場調制下形成的周期性分布電子束條紋，該工作實現了強場條件下阿秒電子動力學的全光超快時空映射，可直接反饋電子在光場作用下的阿秒動力學特征，爲全光阿秒電子學提供了重要技術參考。
6.反鐵磁中超快自旋流的産生
超快激光脈沖在反鐵磁材料中的非線性光學效應可以誘導産生瞬態磁化，而且不依賴外加磁場。反鐵磁的瞬態磁化可以向鄰近的重金屬層注入超快自旋電流，並由于重金屬層的逆自旋霍爾效應轉化爲高頻振蕩的電荷電流。爲了驗證這一預測，南京大學金飚兵教授與吳镝教授課題組等合作，通過探測激光誘導的反鐵磁/重金屬結構的太赫茲波信號，實驗發現了室溫零磁場條件下反鐵磁的超快自旋泵浦過程。反鐵磁超快自旋泵浦的發現爲進一步實現高速、穩定和高集成度的反鐵磁自旋電子器件提供了新的方法。
7.激光操控量子材料電子維度
超快激光與量子材料相互作用産生奇異量子態是目前國際上正在探索的量子材料操控研究前沿。上海交通大學張文濤研究組與張傑、向導團隊等合作，提出利用飛秒激光對量子材料電子維度的操控機制，並利用自主研制的高分辨時間分辨角分辨光電子能譜儀和超快電子衍射裝置，在三維量子材料中實現二維長程有序電子態，並在所形成的二維電子態中發現存在奇異電子態，可能是一種光致超導迹象。該發現爲二維電子態研究提供了新平台。
8.大模間色散下的時空鎖模
清華大學精密儀器系楊昌喜課題組與北京郵電大學電子工程學院肖曉晟課題組合作，在時空鎖模激光器方向取得了新進展。合作團隊證實了大模間色散下可以實現時空鎖模，揭示了其鎖模機理；並觀察到鎖模輸出在多橫模與近單橫模之間轉換。該工作在科學上擴展了對三維光學系統中複雜非線性時空動力學的理解，在工程上極大拓寬了時空鎖模激光器的設計可能性。
9.近紅外生物成像窗口的高效寬帶消色差超構透鏡
“超構表面”作爲一種超薄的微納結構，爲解決設備小型化、集成化的需求提供了一個很好的平台。哈爾濱工業大學（深圳）肖淑敏微納光子學實驗室借助由C4對稱的基本單元構成的二氧化钛超構表面並憑借先進的微納加工手段，設計並制備出了工作于近紅外成像窗口的高效率寬帶消色差超構透鏡。首次將二氧化钛微納制備的深寬比提高到37.5，是先前記錄的2.5倍。實驗結果表明該消色差超構透鏡在650-1000nm波段範圍內實現消色差成像，平均聚焦效率破紀錄地高達88.5%。同時，通過生物成像實驗進行對比，消色差超構透鏡成像質量媲美商用物鏡，在分辨率方面要優于商用物鏡。該工作對于生物醫療，集成光學以及微納制備的發展具有重要意義。
10.非線性黃昆方程與太赫茲巨非線性效應的實現
著名的黃昆方程揭示了橫光學聲子與光子耦合成爲聲子極化激元的物理本質，成爲極化激元研究的物理開端。最近，南開大學研究團隊及合作者提出並推演了非線性黃昆方程，預言並證實了一種由極性晶體受激聲子極化激元介導的光與物質相互作用新機制。在該機制的作用下，太赫茲波段的非線性可以提高五個數量級左右。這一發現爲光與物質相互作用、太赫茲科學與技術、極性晶體材料調控、自旋量子比特的光調控等研究提供了一條新的途徑。
應用研究類（10項）
1.納米尺度六維光信息複用
光的波長、偏振、軌道角動量等物理維度可以建立正交的數據通道，利用光的物理維度作爲信息的載體可以提高光信息技術的容量和安全性。暨南大學和上海理工大學等聯合研究團隊通過攜帶光子軌道角動量的緊聚焦渦旋光場，揭示了光信息存儲介質産生軌道角動量響應的機制，首次在納米尺度下實現了軌道角動量、偏振、波長及三維空間上的六維光信息複用存儲技術，該技術不僅可以促進與軌道角動量相關的基礎科學研究，而且有望爲下一代大容量光信息通訊、存儲技術提供新思路。
2.基于形態學分級結構設計的輻射降溫光學超材料織物
華中科技大學陶光明團隊與多家科研和産業單位聯合創新，基于形態學分級設計研發無源降溫光學超材料織物，實現了太陽輻射波段92.4%的反射率以及中紅外波段94.5%的發射率。光學超材料織物具有可産業級宏量制造的優勢，與我國完備的化纖紡織行業體系相兼容。在戶外暴曬環境的降溫測試中，相較于商用棉織物，光學超材料織物可爲人體降溫近5 °C；在模擬汽車測試中，光學超材料織物可爲汽車內部降溫近30°C。該研究實現了跨領域多學科協同創新，代表了智能織物在光學和熱管理領域取得的重要進展，啓示並推動傳統工業的創新與發展。
3.基于吸收型存儲器的多模式量子中繼
量子中繼可以克服信道損耗實現遠程的量子通信。已有的量子中繼都是基于發射型量子存儲器構建的，其物理系統單一導致通訊速率受限。中國科學技術大學李傳鋒、周宗權研究團隊利用固態量子存儲器和外置糾纏光源，成功演示量子中繼的基本鏈路，並展現了多模式複用在量子中繼中的加速作用，爲實用化高速量子網絡的構建打下了堅實的基礎。
4.相幹能量調制的自放大機制
如何實現全相幹、高重複頻率運行的自由電子激光已經成爲自由電子激光發展的關鍵挑戰之一。中國科學院上海高等研究院和中國科學院上海應用物理研究所自由電子激光團隊提出了一種相幹能量調制的自放大機制，並且基于軟X射線自由電子激光裝置完成了實驗驗證。利用自放大機制，成功實現了兩級級聯HGHG在種子激光的30次諧波放大出光。這是目前國際上“工作諧波/激光調制” 最高的外種子自由電子激光放大結果。該結果爲兆赫茲級重頻的外種子自由電子激光鋪平了道路，從而有望爲高分辨譜學和極紫外光刻等技術帶來新的突破。
5.新型範德瓦爾斯單極勢壘紅外探測器
中科院上海技術物理研究所胡偉達研究員與複旦大學周鵬教授等在新型光電探測器的研究中取得了開創性進展，研制出新型範德瓦爾斯單極勢壘紅外探測器。該工作創新性地利用原子層堆疊實現了能帶局域態操控，構建出範德瓦爾斯單極勢壘探測器，突破性地解決了傳統材料勢壘結構外延生長、晶格失配以及組分能帶梯度難以控制的問題。新型範德瓦爾斯單極勢壘結構的提出不僅爲紅外探測器暗電流過高的瓶頸問題提供了解決思路，也爲二維材料步入紅外應用領域提供了關鍵技術方案。
6.片上光力光學頻率梳産生
南京大學現代工程與應用科學學院姜校順、肖敏團隊利用片上光學微腔中的大振幅光力振蕩，實現了一種新的光學頻率梳（光力光學頻率梳）。這種片上微型光學頻率梳具有低重複頻率、光譜平坦等優點。基于這種光譜平坦的光學頻率梳，研究團隊還同時實現了寬帶的微型微波頻率梳。
7.全柔性織物顯示系統
面向智能電子織物等可穿戴電子設備對顯示技術提出的新要求，複旦大學彭慧勝/陳培甯研究團隊等提出在高分子複合纖維交織點構建多功能微型發光器件，通過揭示高曲率纖維界面電場分布的獨特機制，解決光滑纖維表面活性材料均勻塗覆和纖維電極界面穩定性等難題，在國際上率先實現了柔性顯示織物及其智能集成系統。該智能織物系統將電子器件的制備與織物編織過程有效融合，具有智能、輕質、透氣、可洗滌、高柔性等獨特優點，將有力推動柔性電子、便攜式人機交互系統、柔性健康監測終端等領域的快速發展。
8.溶液中單分子電化學反應的直接成像
單分子水平揭示化學反應的空間位置、路徑和動力學是化學研究面臨的本質科學問題，這對精准測量提出重大的研究需求。浙江大學馮建東團隊通過時空孤立策略首次實現了對單分子電致化學發光反應的空間成像，並利用空間孤立的分子反應定位信息重構實現了超分辨電致化學發光成像。這種基于化學途徑的單分子顯微鏡技術可與超分辨熒光顯微鏡實現互補，有望對單分子測量、催化表征和生物成像等領域産生重要影響。
9.線照明調制顯微術實現高清成像
華中科技大學、海南大學駱清銘團隊發明了線照明調制光學層析成像新原理，同時兼具高分辨率、高通量、高魯棒性、高背景抑制能力、高靈敏度等優點，填補了相關技術的空白。在此基礎上，他們叠代更新建立了高清熒光顯微光學切片斷層成像技術，實現高分辨率全腦三維原始數據信噪比110，將全腦光學成像提升到高清晰度的新標准。高清的圖像質量，顯著提升了後續數據相關環節的工作效率，爲攻克腦圖譜繪制中的大數據挑戰提供了新的切入點。
10.三維異質集成MoS2 TFT高分辨Micro-LED顯示技術
在國家重點研發計劃、自然科學基金等項目的支持下，南京大學新型顯示技術研發團隊等提出基于二維半導體材料二硫化钼TFT驅動電路集成的超高分辨氮化镓Micro-LED顯示技術方案，開發出晶圓級二維半導體TFT制造工藝，無需巨量轉移的低溫後端工藝單片異質集成技術，實現了1270 PPI的高亮度微顯示器，該成果被發表期刊評價爲：“突破了傳統半導體驅動電路的性能瓶頸，將給未來顯示帶來顛覆性的産品”。
（傅文婧）
(東方網)