昨晚（4月20日），“2022中国光学十大进展”发布。同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队联合复旦大学物理学系周磊团队的科研成果“光频完美异常反射器”，入选“2022中国光学十大进展”（应用研究类）。
研究团队提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构，通过传输波和布洛赫波的高效耦合增强非局域能流调控能力，首次实现了效率优于99%的光频异常反射。该成果以“Perfect anomalous reflectors at optical frequencies”为题发表于期刊Science Advances。
(相关资料图)
左图：准三维亚波长结构右图：完美异常反射原理
将光反射到预定的非镜面反射方向是超表面的一项重要能力，也是许多实际应用的基础，如超透镜、光谱仪、激光雷达等。受限于非局域调控能力不足，光学超表面的异常反射效率低于80%，难以满足激光领域效率优于99%的需求，亟待突破异常偏折效率的科学认识，创新调控方法，获得光频完美异常偏折器件。
鉴于此，研究团队从完美异常反射的物理要求出发，首先阐明了完美异常反射所需要的能流分布形式，提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构（如上图左图），通过准三维结构内传输波和布洛赫波的高效耦合（如上图右图），增强了多重散射并提高了非局域能流调控能力，在1550纳米实现了国际上效率最高的、效率优于99%的光频异常反射。
该工作以光学超表面实用化的需求为导向，解决了“效率低”这个限制其走向应用的“卡脖子”问题，研究成果有望推动新型波束扫描系统等仪器装备的发展。
记者了解到，该成果的第一完成人何涛博士现为同济大学物理科学与工程学院博士后研究人员，其本科就读于同济大学物理科学与工程学院光信息科学与工程专业，毕业后保送至同济大学光学专业继续攻读博士学位。何涛在本硕博期间，持续开展光频完美异常反射器的基础理论研究和关键技术创新，成为该校自主培养的优秀青年科研人才。
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入选成果如下：
基础研究类（10项）
1.微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统
北京大学电子学院教授王兴军团队联合加州大学圣塔巴巴拉分校材料、电气与计算机工程系教授约翰·E·鲍尔斯（John E.Bowers）团队合作，攻关解决微腔光梳简易鲁棒激发与长时间稳定、面向光梳光源的硅基系统设计、硅基片上可重构多维光谱整形技术等难题，在国际上首次实现了由克尔微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上系统，有望直接应用于数据中心、5/6G信号处理、自动驾驶、光计算等领域，为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。
2.光学涡环的诞生
上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授詹其文带领的纳米光子学团队基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，首次在理论上完整推导并在实验上实现了优美的光学涡环结构。该研究工作为三维复杂时空光场的生成和表征提供了崭新的思路，对环状对称电动力学、环状对称等离子物理、光学对称和拓扑、量子物理、天体物理等理论研究，以及光学传感、光操纵、光信息与能量传递等应用研究都将具有重要且深远的意义。
3.用光3D打印纳米晶体
清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授课题组首次提出了利用光生高能载流子调控纳米材料的表面化学活性并实现化学键合，由此实现了半导体量子点等功能纳米粒子的三维激光装配。这一技术具备真三维、高纯度、高分辨率、异质异构集成的技术优势，开辟了功能纳米器件制备工艺的新途径，在片上光电器件集成、高性能近眼显示等领域具有广泛的应用前景。
4.新技术首次实现激光3D打印纳米铁电畴
南京大学现代工程与应用科学学院教授张勇领衔的研究团队发展了一种非互易激光极化铁电畴技术：将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体中，在晶体内部形成了一个有效电场，实现了三维纳米铁电畴的可控制备。加工精度达到了30纳米，远远突破衍射极限，且可以实现铁电畴结构的修正与重构。这一技术解决了传统极化工艺仅限于在二维平面内以微米精度加工铁电畴结构的难题，为三维集成光电器件的发展提供了新的技术支撑。
5.高纯度超集成手性光源领域取得重要研究进展
哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授团队基于连续域中束缚态自身的物理特性，实现了高纯度、高Q值与高方向性的手性荧光到激光的出射。在无需自旋注入的情况下，即可实现控制自发辐射和激光的光谱、远场以及自旋角动量。这种方法对改善当前手性光源的设计，并促进其在光子系统与量子系统中的应用具有重要意义。
6.羲和激光首轮实验获得60MeV质子束
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室张辉副研究员领衔的研究团队依托于上海超强超短激光实验装置(羲和激光，SULF) ，在首轮磨合实验中利用SULF-10PW激光轰击微米金属靶，在靶后法线鞘层加速机制下获得了截止能量达62.5MeV的质子束，该结果达到国内领先水平，进入国际前列。未来将通过进一步优化，获得百MeV级的高能质子束，切实推动激光质子源在聚变能源、肿瘤治疗等重要领域的应用。
7.高效、高重频极紫外超快相干光源
上海交通大学物理与天文学院刘峰副研究员、陈民教授、李博原副研究员课题组通过引入圆偏振预脉冲，成功实现对微米尺度预等离子体的主动调控，构建出合适的纵向密度分布，解决了高次谐波产生受限于激光对比度的难题，实验验证了产生高重频、高亮度极紫外超快辐射源的新方案。
8.稀土离子f-f跃迁发光寿命被压缩至纳秒级
陕西师范大学物理学与信息技术学院张正龙教授、郑海荣教授团队，依托自主搭建的高分辨原位光谱系统，在纳米光学领域取得了突破性进展。利用等离激元倾斜纳米光腔，将稀土离子f-f 跃迁发光寿命压缩至50 纳秒以下，同时获得1000余倍的量子产率增强。该成果被审稿人评价为稀土发光领域“里程碑”式的工作，对拓展稀土发光应用优势，推动量子通讯单光子源、纳米激光器的发展具有重要意义。
9.激光干涉仪的量子超越
上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平教授团队与合作者，利用其发展的量子关联干涉技术与激光干涉仪巧妙结合，实现了一种超越传统激光干涉仪的新型量子精密测量技术。新方法融合经典-量子优势于一体，原理上可以拓展到LIGO引力波探测器等大型精密测量仪器中，实现对传统干涉技术的升级，向开拓真正有应用价值的量子技术迈出了重要的一步。
10.突破荧光范围的激光辐射
山东大学物理学院于浩海教授、张怀金教授团队和南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授团队协同攻关，在激光物理领域取得突破，首次实现基于多声子耦合的激光辐射，在远超荧光光谱的范围获得了宽波段、可调谐激光输出。研究成果拓宽了激光增益范围，阐明了激光晶体中的关键功能基元和序构关系，对于固体激光技术的发展具有重要意义。
应用研究类（10项）
1.集成化成像芯片实现像差矫正三维摄影
清华大学电子工程系副教授方璐和中国工程院院士、清华大学教授戴琼海团队提出了非相干光下的数字自适应光学新架构，解耦信号采集与像差矫正，首次实现了高速大范围分块像差去除。研制了集成化的元成像芯片，能够实现像差矫正的大视场高分辨率高速三维成像，将传统自适应光学的有效视场直径从40角秒提升至了1000角秒，可广泛用于天文观测、工业检测、医疗诊断等领域。
2.时空域精细操控半导体纳米晶能带结构
浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授团队与之江实验室光电智能计算研究中心研究专家谭德志团队合作，揭示了飞秒激光诱导空间选择性介观尺度分相和离子交换新规律，实现了对玻璃微区元素分布的精细调控，开拓了飞秒激光三维极端制造新技术，构筑了三维发光宽波段连续可调谐纳米晶结构，首次提出并展示这种三维微纳结构在超大容量超长寿命信息存储、高稳定Micro-LED列阵和动态立体彩色全息显示等的前沿应用。
3.基于超构透镜集成的平面广角相机
南京大学现代工程与应用科学学院教授李涛团队研发出一种基于超构透镜阵列的平面广角相机，仅用一微米厚的纳米结构就实现了超过120°视角高质量的广角成像功能。这一全新原理的设计原理成功突破传统商用鱼眼镜头在体积和重量上限制，展示了超构透镜设计在颠覆性成像技术中巨大的应用潜力。
4.光电集成轻微型“复眼相机”，解决商用探测器不兼容问题
吉林大学电子科学与工程学院教授张永来领衔的合作团队通过飞秒激光微加工技术，制造具有对数轮廓小眼的三维仿生复眼，突破了三维复眼非平面成像和商用微型CCD/CMOS探测器失配难题。研制了质量仅为230mg的光电集成微型复眼相机，借助多目视觉原理和神经网络重构算法，实现了对微观目标运动轨迹的三维重构。该成果在医疗内窥成像和微型机器人视觉等前沿领域具有重要意义。
5.光纤量子密钥分发新纪录——无中继安全传输超830公里
中国科学技术大学光学与光学工程系教授、中国科学院院士郭光灿和中国科学技术大学光学与光学工程系教授韩正甫团队通过解决极弱光双场制备和低噪声快速相位补偿难题，突破信噪比限制，创造830公里无中继光纤量子通信世界纪录。相比于国内外其他团队的工作，该成果不仅将无中继传输距离提升了200多公里，而且将成码率提升了50～1000倍，向实现千公里陆基量子通信迈出了重要一步。
6.光频完美异常反射器
同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授联合复旦大学物理学系周磊教授，提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构，通过传输波和布洛赫波的高效耦合增强非局域能流调控能力，首次实现了效率优于99%的光频异常反射。研究成果有望推动新型波束扫描系统等仪器装备的发展。
7.超长寿命的钙钛矿LED
浙江大学光电科学与工程学院长聘教授狄大卫和赵保丹研究员团队利用双极性分子稳定剂抑制离子迁移, 首次实现了满足实际应用标准的超长寿命钙钛矿LED。在等同于高亮度OLED的光功率下，这些近红外LED的寿命为32675小时（3.7 年）；在更低的辐亮度下，其寿命预期长达 270 年。这些创纪录的器件在 5 mA/cm2 的恒定电流下持续工作 5 个月，辐亮度无明显衰减。
8.世界首例铌酸锂薄膜偏振复用相干光调制器
中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）蔡鑫伦教授课题组实现了世界首例铌酸锂薄膜偏振复用相干光调制器，该器件具有CMOS兼容驱动的半波电压，110GHz的调制带宽，这是目前世界上最高性能的超低电压和超大带宽的电光调制器芯片。利用这一芯片，研究团队演示了目前单载波相干传输的最高净速率—1.96Tb/s。该项研究攻克了在下一代超高速、低功耗的相干光传输系统不可或缺的电光转换器件。铌酸锂薄膜材料及其光子集成技术研究为实现我国光通信产业链自主可控提供了有力保障。
9.首次发现光学微腔中的界面回音壁模式
北京大学物理学院肖云峰教授团队与中国科学院半导体研究所陈幼玲副研究员合作，首次发现了光学微腔中的界面回音壁模式。研究人员在微流集成的微泡腔中，将光学回音壁模式的电磁场峰值调控至传感表面，从物理上提高了传感器的光学响应强度，成功实现了具有单分子响应的微流传感器件，在高灵敏度微量检测领域具有广泛的应用前景。
10.在光编码液晶超结构应用取得突破性研究进展
华东理工大学教授、化学与分子工程学院院长朱为宏、物理学院教授郑致刚和诺贝尔化学奖得主、“费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心”教授伯纳德·L·费林加（Bernard Lucas Feringa）合作，围绕动态可控手性液晶光学微结构，从材料设计、制备和微结构的外场控制入手，解决传统液晶体系光效率低的问题，赋能液晶微结构的光控宽动态域，发展可逆、可擦、渐变、结构叠加与嵌入的多重防伪新技术，为解决我国在高端防伪技术领域面临的材料瓶颈提供了可供借鉴的技术方案。
