2020年中国光学十大进展揭晓

2021年4月底，首届光学前沿高峰论坛暨2020年度中国光学十大进展颁奖典礼在浙江杭州举行，量子纠缠光源、荧光成像、金属钠等离激元等10项基础研究，激光聚变、光学雷达远距离成像、光谱气体检测等10项应用研究入选“2020年中国光学十大进展”。

“中国光学十大进展”评选活动由中国激光杂志社发起，至今已成功举办15届，旨在促进中国优秀光学研究成果的广泛传播，推动中国光学事业的发展。

此次评选活动经过首轮推荐、初评、终评三个环节，48位评审专家综合考虑候选成果的学术价值和应用价值，并以无记名投票方式选出20项优秀的光学成果。

2020年中国光学十大进展名单（排名不分先后）

基础研究类

1. 基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源

量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一，超构表面的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。

由中国科学院院士祝世宁、南京大学教授王振林、张利剑和副教授王漱明团队、香港理工大学教授蔡定平团队、中国科学技术大学副教授任希锋团队和华东师范大学研究员李林组成的联合团队通力合作，通过结合超构透镜阵列与非线性晶体，成功制备出高维路径纠缠光源和多光子光源。

2.发现并揭示莫尔晶格中波的演化规律

不管是声波、水波，还是电磁波、引力波、物质波，各种波总倾向于向周围扩散。因此，控制波的扩散使其局域在某个有限的空间之内是一个长期存在的重要科学问题。以光学中光波的局域为例，人们提出了各种各种的局域机制：基于光纤的全反射、基于光子晶体的能带带隙、基于随机系统的安德森局域以及基于非线性光学材料的局域机制。

最近，以光波的局域为例，上海交通大学教授叶芳伟课题组与陈险峰课题组合作，率先发现并揭示了一种新的波包局域机制：基于莫尔晶格的极平带结构。该发现具有重要的物理意义和广泛的适用性。

3. 亚纳米分辨的单分子光致荧光成像

用光实现原子尺度空间分辨一直是纳米光学领域追求的终极目标之一。

中国科学技术大学侯建国院士团队的董振超研究小组，将成像空间分辨率大幅提升，推进至0.8 nm的亚纳米分辨水平，在世界上首次实现了亚分子分辨的单分子光致荧光成像，为在原子尺度上展现物质结构、揭示光与物质相互作用本质提供了新的技术手段。

4.狄拉克涡旋拓扑光腔

中国科学院物理研究所研究员陆凌等人的团队与合作者，理论提出并且实验证实了一种全新的拓扑光子晶体微腔，不但可以支持任意简并度的腔模，而且是目前已知光腔中，大面积单模性最好的。

该拓扑光腔填补了半导体激光器在选模腔体设计上的空白，为下一代高亮度单模面发射器件提供了符合商用激光器历史规律的新发展方向，对激光雷达和激光加工等技术有潜在的积极意义。

5.单分子回声

声波的回声是一种常见的自然现象，当声波在传播过程中遇到障碍物时，将被反射形成回声。回声现象在很多方面都有着非常重要的应用，例如利用电子自旋回声进行核磁共振成像。

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室科研团队利用超快飞秒激光和符合探测技术，首次实验观测到了单分子体系内的超快振动回声。

6.金属钠：助推等离激元光子器件走向应用

 表面等离极化激元，是光与金属表面自由电子集体振荡耦合形成的一种元激发，在微纳光子器件和光子集成、超分辨成像等领域具有广阔的应用前景。

 南京大学教授朱嘉、周林、祝世宁团队联合北京大学研究员马仁敏等在金属钠等离激元光子器件研究方面的重要突破。基于液态金属旋涂技术，研究团队首次展示了金属钠微结构的制备和近红外波段室温低阈值纳米激光器。碱金属本征的低损耗特性和独特的电化学性质，有望推动新型等离激元功能器件的发展。

7. 时空光涡旋与光子横向轨道角动量

光子角动量在光与物质相互作用中发挥重要影响。上海理工大学纳米光子学团队首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，开创了一个全新的光子轨道角动量自由度。

8. 放弃相位板，无需光学对准也能产生相位涡旋光束

研究人员针对光的轨道角动量的特点，正努力实现基于轨道角动量涡旋光束的通讯、物质探测、光学操控和微纳加工等应用。复旦大学光子晶体课题组首次提出利用光子晶体平板结构的动量空间偏振场奇点来产生涡旋光束，并在实验上得到验证。

9. 首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应

北京计算科学研究中心教授薛鹏团队及合作者在实验上首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应，并证实了非厄米体边对应原理。这一成果处于非厄米系统、拓扑相变、量子模拟等量子物理和凝聚态物理学前沿方向的关键结合点，是拓扑物态和开放体系两个方向的基础性进展，对新奇拓扑序的量子模拟及全面理解开放体系拓扑现象有重要意义。

10. 单层氮化硼声子极化激元的直接观测

国家纳米科学中心研究员戴庆课题组和北京大学研究员高鹏课题组合作，将透射电镜与纳米光子学领域结合，利用透射电子显微镜中的电子能量损失谱直接探测到超高波长压缩的单层氮化硼声子极化激元，将光波长压缩超过487倍，为超表面设计和超强光与物质相互作用提供了重要的研究基础。

应用研究类

1. 国际首轮间接驱动高增益激光聚变快点火集成实验

惯性约束聚变因其有望解决全球能源问题而备受瞩目。中物院激光聚变研究中心、北京应用物理与计算数学研究所、中物院研究生院、国防科技大学、北京大学、深圳技术大学和上海光机所联合室联合组成的激光聚变研究团队在神光II升级装置上完成了国际首轮间接驱动快点火集成实验，验证了间接驱动快点火创新设计方案的科学可行性。

2. 大面积全钙钛矿叠层太阳电池

南京大学教授谭海仁团队在大面积全钙钛矿叠层太阳电池上取得新突破。该团队制备的大面积全钙钛矿叠层太阳电池经日本电气安全和环境技术实验室（JET）权威认证，稳态光电转换效率高达24.2%，为目前大面积钙钛矿太阳电池的世界纪录效率。

3. 光学雷达远距离单光子成像

中国科学技术大学教授潘建伟院士、徐飞虎课题组在城市环境中通过平均每个像素点探测约一个信号光子，实现了距离达45 km的单光子三维成像，创下了新的成像距离纪录。该远距离单光子成像雷达系统在硬件端和软件端均发展了适用于远距离成像的先进技术。

4.超快激光三维操控透明材料内部钙钛矿量子点的可逆生长

华南理工大学材料科学与工程学院发光材料与器件国家重点实验室/光通信材料研究所董国平教授课题组，利用飞秒激光辐照和热处理实现了钙钛矿量子点在玻璃内部任意位置的可控生长，并实现了飞秒激光和热处理操控钙钛矿量子点的可逆形成与发光，拓展了量子点在三维显示、信息防伪以及可擦重写超高密度信息存储领域的潜在应用。

5.新型激光光热光谱学气体测量技术

痕量气体检测在环境、医药、石油化工、安防、航空航天等领域具有重要应用价值。香港理工大学靳伟研究组、北京航空航天大学樊尚春研究组和北京工业大学汪滢滢、王璞研究组联合研究团队提出了一种基于光纤模式相位差探测的新型激光光热光谱学气体测量技术，使痕量气体检测下限达到万亿分之一量级。

6.世界首例可用于数字相干光通信的高性能铌酸锂薄膜电光调制器芯片

中山大学教授蔡鑫伦团队与国家信息光电子创新中心博士肖希团队合作，在超高速电光调制器芯片的研究中取得了突破性进展，实现了世界首例可用于数字相干光通信的高性能铌酸锂薄膜电光调制器芯片。

7.双倍频程展宽的芯片级光频梳

光学频率梳作为具有确定梳齿频率间隔的光频标尺，在精密测量中发挥着极为重要的作用。北京大学教授肖云峰和龚旗煌院士领导的课题组利用非对称光学微腔中的混沌辅助宽带动量变换，实现了覆盖两个倍频程、450~2000nm超宽谱光梳的激发与高效率收集，打破了国际微腔光梳的谱宽记录，并且首次在混沌微腔中观测到锁模孤子脉冲存在的证据。

8.光矢量分析：超高分辨率、大动态范围、超宽带

光器件是新一代光信息系统的基石。光矢量分析方法对光器件的研制、生产、检测和应用有着极为重要的作用。南京航空航天大学雷达成像与微波光子学教育部重点实验室教授潘时龙团队展示了一项能同时实现超高分辨率、超宽带和大动态范围的光矢量分析方法。

9.真空光镊实现单个微纳粒子质量和位置的高精度测量

微纳尺度下的物理量的高精度测量一直是技术发展的难点，并制约着科学研究与应用发展的前进。中国科学技术大学教授郭光灿院士团队孙方稳小组与新加坡国立大学教授仇成伟合作，基于真空光镊系统实验实现了对单个微纳粒子的高精度全光学的质量和位置测量。

10.荧光转换体的3D打印和无压烧结技术

荧光转换型白光LED被广泛应用于背光显示和普通照明，未来将应用于道路照明、汽车照明和大尺寸显示等领域。

浙江大学教授邱建荣团队发明了一种3D打印和无压烧结技术，可用于快速制造量子效率高、颜色可调、物理化学性能优异的荧光转换体，实现了全无机荧光转换体的增材制造，有望应用于高功率LED和激光照明领域。

责编：Luffy Liu