各种光电子芯片的工作原理都是基于光与物质的相互作用。在微纳尺度下控制物质的结构及其与光场的相互作用 , 可以获得一系列不同于传统材料 / 结构的独特的光电特性 , 为实现新型光电子芯片提供了可能。另一方面，光与物质之间的相互作用本质上可以理解为各种基本粒子和准粒子之间的相互作用，微纳结构可以操控声子、表面等离基元等准粒子的特性及其与光子、电子的相互作用，这种操控作用带来的新机理、新特性促进了新功能光电子芯片的出现。除了准粒子，微纳结构突破传统光电子芯片基于束缚电子和光场相互作用的框架，使得自由电子也成为了光电子芯片的新角色；通过纳米结构或超材料，可以实现芯片上飞行电子、晶体中束缚电子、光子三者相互作用的新机制，为未来的光电子芯片开辟了新途径。聚焦微纳结构调控电子、光子、声子及其相互作用的新机制并在芯片上实现，微纳光电子芯片的研究取得进展：提出并验证双曲超材料的无阈值切伦科夫辐射新机理，研制出国际上首个自由电子辐射芯片；提出基于光子晶体超表面的“宽谱测量基”概念，研制出世界首个超光谱成像芯片；提出拉链悬臂梁光声微腔调控声子非厄米耦合的新方法，研制出国际上首个光控声学奇异点芯片。同时为推动微纳光电子芯片的产业化，建立起了跨材料体系光电子芯片工艺平台——华慧芯科技，已为国内 500 余个科研团队和企业提供微纳结构光电子芯片的加工制备；创立成果转化企业“与光科技”和“光函数科技”，研发出在 CMOS 图像传感器晶圆上直接制备巨量微型光谱仪的量产工艺，推动了光谱成像芯片在病理诊断、自动驾驶、转炉炼钢等领域得到实际应用。这些工作为在国际上形成微纳光电子芯片从创新研究到产业转化的领先优势起到积极的推动作用。

III 族氮化物宽禁带半导体在短波长光电子器件、功率和射频电子器件等领域具有重大应用价值。过去 20 年，由于具有柔性衬底思想的 MOCVD 两步外延方法的重大突破，基于蓝白光 LED 的半导体照明技术和基于 GaN 基 HEMT 的微波功率技术飞速发展，对我国的高技术产业发展和国防建设做出了重大贡献。近年来 AlN 基深紫外光电器件受到了学术界和产业界的高度重视，形成了新的研究和产业化热点。蓝宝石衬底上高质量 AlN、AlGaN 及其低维量子结构的外延生长和 p 型掺杂是研制深紫外发光器件的关键。本报告将系统介绍北京大学团队近年来在蓝宝石衬底上高质量 AlN 模板和 AlGaN 量子阱的外延生长、高 Al 组分 AlGaN 的高效 p 型掺杂、AlN 基深紫外 LED 器件等方面取得的主要研究展。

运动目标远程探测一直有重大现实需求，特别是对于极端距离和光照条件下远小暗空间目标的远距离高分辨率成像越来越受到各国航天和国防部门的重视。被动式光电探测成像技术能够做到高分辨，但是受限于其工作机理和接收光学孔径，在远距离约束下的高分辨难以实现。反射层析激光雷达成像技术是一种新型的主动式光电探测成像技术，原理上其成像分辨率与探测距离、系统孔径相对无关，而且，由于其采集目标激光回波脉冲的包络信息，相较于合成孔径激光雷达，对平台稳定度和激光相干性要求不是特别高，这为难以观测的远小暗目标的远距离高分辨率成像提供了新途径，不过此前一直未取得重大突破。本报告以团队研究工作为基础，介绍了反射层析激光雷达技术的发展路径，分别叙述了线性探测反射层析成像、单光子全波形反射层析成像和相干体制下反射层析成像的研究工作；阐述了反射层析激光雷达成像原理和总体技术组成，提出了窄脉冲激光均匀照射、高保真回波波形采集和精跟踪多角环绕对准等硬件系统核心要求，以及波形一致性处理、投影中心配准、目标图像重构和目标信息提取等数据处理核心要求；围绕回波数据处理和目标信息提取方法开展研究，研制了地面验证实验系统，并开展了一公里和十公里级地面实验研究，实验实现了厘米级分辨率的激光成像，与同类型激光成像相比是国内外最高水平；在此基础上，提出了激光反射层析三维成像技术体制并开展了实验研究，实验获得了厘米级分辨率的目标外部三维轮廓结构图像；进一步结合单光子探测体制，提出了千公里级超分辨成像架构，并对星载探测场景进行了仿真研究，证明了该技术具有达到百公里乃至千公里级空间小暗目标厘米级超分辨成像潜力，为开展星载远距离空间目标探测奠定了理论和技术基础。

光学成像系统的分辨率与信息通量受系统衍射极限的限制，如何发展超越衍射极限的成像技术与系统，一直是人们关注的问题。为此 2014 年诺贝尔化学奖颁布给了利用荧光非线性跨越衍射极限，实现超分辨光学显微成像技术，这是人类第一次利用系统非线性实现光学成像分辨率大范围跨越衍射极限的限制实现的超分辨成像。但是大量的成像应用如工业生产的显微，对地观测，长距离成像等系统均为线性成像系统，如何使传统的成像系统中大幅度跨越衍射极限实现超分辨的成像，这依然是一个瓶颈，而且这样的技术在人类探知自然、认知自然以及工业、国防应用中都具备极为重要意义。本报告在论述当前超分辨光学成像现状基础上，报告了我们发展的与国际上现行超分辨显微成像技术路线不同的频谱域移频超分辨成像的原理与方法。系统论述移频超分辨成像的原理、算法、实现途径与理论极限；重点论述应用移频成像技术的线性光学成像超分辨成像的实现方法，非线性光学超分辨系统的实现方法，以及在长距离单根多模光纤的超分辨动态成像中的应用等超分辨成像技术，为超分辨光学成像提供新思路。同时，我们论述了将超分辨显微成像原理应用于激光直写技术，突破衍射极限的限制，获得远超衍射极限的激光直写光刻精度，通过多束并行技术，实现高通量激光三维纳米直写光刻的研究与应用进展。