第146次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

超高品质因子微腔光学与光子学
肖云峰教授北京大学

光子局域与操控是光物理基础研究和集成光子学应用的关键之一。超高品质因子光学微腔能够长时间将光场局域在很小的空间内，极大地增强了光与物质相互作用，是微纳尺度光场调控的重要体系。本报告将简介超高品质因子微腔光学与光子学研究的主要方向，并介绍北京大学微腔光学课题组的最近研究结果。
二维光与信息光电子器件及系统
邓少芝教授中山大学

6G 通信、高分辨雷达成像、无人驾驶等新兴技术对信息领域提出了高容量、多功能集成、智能化等技术发展需求，集成光和电两类信号之间进行高速高效率转换、高速高精度调控等功能的光电子芯片，与微电子芯片一起支撑信息技术的发展，成为集成芯片技术不可或缺的重要组成。由此，融合光子学和电子学的载体、现象及其应用受到了学术界和工业界越来越多的关注，并带来信息技术竞争新高地。二维原子晶体以单原子层结构、范德华层状结构、二维受限能带结构等特征，呈出新奇和丰富的电学光学新性质，尤其是二维单原子层光学、光电表现出独有的特性，包括面内双曲极化激元、Dirac 等离极化激元、能谷极化发光、原子波导、原子级光场局域、转角叠层激子绝缘体发光、转角叠层巨光电效应等，这些新物理特性，为研究二维光感知、通信、计算等新器件技术提供了科学基础，为信息技术科学带来了新主题。本报告聚焦新一代信息系统二维太赫兹中远红外核心元器件及新型应用研究进展和发展趋势。具体地，本报告介绍二维光新材料新特性新机理研究成果，介绍我们对二维太赫兹在无线光通信一体化、遥感雷达、光计算等领域中系统应用的新原理新技术思考与探究，介绍我们以极化激元二维光效应来研究高性能太赫兹电磁波产生、调制、探测器件与芯片及应用验证的工作，包括天然面内双曲声子极化激元二维材料的发现、纳米尺度平面内电磁场操控技术的实现、极化激元光电信息功能微纳器件及阵列的研制，以及基于所研制器件的太赫兹高分辨成像、偏振成像及偏振通信的应用验证。
拓扑优化计算光芯片-从经典到量子
张向东教授北京理工大学

由于光子芯片具有高速度、低能耗、工艺技术相对成熟等优势，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算等产业对信息获取、传输和计算等技术需求，近年来受到了人们极大关注。为了适应未来更高信息量的要求 , 同时拥有更快信息处理速度和更低能量消耗 , 发展量子集成光学芯片成了必然趋势。然而，发展这些技术也面对许多挑战。例如，如何解决集成度和可扩展性问题，也就是，为了完成不同功能，人们期待芯片能集成尽可能多的器件，也就是芯片上的光量子器件尽可能小，这样集成度才可能高；如何解决稳定性（鲁棒性）问题，一般量子态比较脆弱，容易受环境影响，保证光量子器件稳定运行对开发应用起决定性作用。最近我们将拓扑优化方法引入到了集成光逻辑器件及芯片设计上，在 SOI 基芯片上设计出了目前国际上最小的经典和量子逻辑门。进一步，利用电子束曝光和干法刻蚀等微纳加工技术，实验制备出了理论设计的硅基经典和量子逻辑门及芯片，并论证了其高效率和稳定性。另外，我们将拓扑通道和量子态转移理论相结合，通过优化拓扑保护通道的本证态与传输纠缠态交叠积分反设计出了拓扑保护通道，实现了纠缠态近乎完美传递和转移。在报告中我们将对最近的这些研究进展做介绍。
极端超快光场的产生与控制
魏志义研究员中国科学院物理研究所

产生极短脉宽的激光脉冲一直是激光技术最具挑战性的研究内容，随着激光放大技术、脉冲压缩技术、载波包络相位（CEP）控制技术的发展及与物质相互作用研究的不断深入，不仅所能得到的最短脉宽已突破了 50 阿秒，载波脉冲的振荡到了单周期，带宽可跨越多个倍频程，而且波段也覆盖了从 X 射线到 THz 的范围，特别是通过对 CEP 的控制，人们能够精确的操控光场振荡的波前及对应电场分布的形式，实现对光场的终极控制。光场技术的这些重大进展，不仅为人们研究光与物质相互作用提供了更为精确的手段，从而激发并发现前所未有的新现象，而且也推动了精密测量科学、信息高密度存储与高速处理技术、高精度加工及高分辨成像技术的重大发展。本报告将结合我们团队的研究工作，介绍目前周期量级飞秒及阿秒脉冲产生、高对比度飞秒脉冲激光放大、激光频率扩展及 CEP 测量与控制、飞秒激光相干合成等方面的前沿进展。如目前在可见光波段，通过对多路光的相干控制与合成，产生了脉宽小于 500 阿秒的激光脉冲；在红外波段，通过 OPCPA 技术及锁模 Cr:ZnS 等激光，不仅实现了脉宽仅 10fs 量级的少周期脉冲，而且光谱带宽也超过了 3 个倍频程；在紫外波段，不仅实现了高效率的高次谐波输出，而且截止波长的光子能量也超过了 1keV。基于极端光场的最新技术，目前人们已报导了 53 阿秒的电子脉冲，在具有高时间分辨率的同时，空间分辨率也达到了 pm 的精度。
超构表面成像研究
王振林教授南京大学

超构材料是由不同结构的超构单元（也称之为人工“原子”）所组成。通过设计合适的超构单元，并通过一定排布组成超构材料，可以实现天然材料所不具有的对电磁波传播的多维度调控特性，甚至将这些人工“原子”排布成二维超构表面，即可实现对光场的相位、强度、偏振等参数的有效操控，这对实现一些光学器件的微型化微乃至功能集成化具有重大的意义。然而，与天然材料类似，超构单元的电磁共振同样具有色散特性，这导致了通过超构表面对电磁波进行聚焦时产生强烈的色差现象。我们创新地提出相位拆分新方案，即将理想消色差成像所需的相位（两变量函数）分解成相对独立的两个部分，即基础相位和色差相位。利用超构单元丰富的相位产生机理，并通过对超构表面的设计，借助其几何相位实现基础相位的补偿，借助其共振相位实现对色差相位补偿，最终利用超构表面实现了在近红外波段的宽带连续消色差反射聚焦镜和反射板功能。在可见光频段，我们将这一原理推广，研制出覆盖整个可见光频段的消色差聚焦透镜，并在国际上首次实现了基于超构表面透镜的全彩成像。针对宽带连续消色差超构透镜存在数值孔径和通光口径不能同时增大的问题，我们引入了超构透镜阵列体系，不但实现了毫米量级的通光口径，而且展示了三维光场成像效果，可以实时获得视场中运动物体的三维信息。使用相位拆分原理，我们还研制了具有横向色差的超构透镜阵列，通过深度学习对光谱重建，可以同时获取视场内物体的光谱和空间光场信息的四维成像系统，拓展了现有成像系统的功能外沿。最后，针对现有彩色成像芯片能量利用率低的问题，我们使用超构表面的逆向设计方法，设计并研制出具有彩色路由的超构表面，对比传统彩色相机其成像亮度有两倍以上的提升。以上结果是针对超构表面提升成像能力的一些探索，期待进一步推动超构表面成像未来在航空航天、深海探测和无损检测等领域的应用研究探索。

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第146次：极端光学与信息科学