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现在光学前沿方向有哪些?

【鹌鹑的回答(113票)】:

我在光电企业作研发,下面都是我自己手写,几幅图皆为我的数值模拟或者我和同事比较直观的实验结果。光学方向很广阔,且往往和材料、化学、生物等相互交织,很难严格界定和概括。我尽可能通俗地介绍一下。如果你有兴趣详细了解,可以去了解美国三大光学中心:

  • U of Rochester, the Institute of Optics

  • U of Central Florida, School of Optics

  • U of Arizona, College of Optical Science

或者我国四个实力较强且门类较全的光学中心:

  • 浙江大学 光电科学与工程学院

  • 华中科技大学 光学与电子信息学院

  • 南开大学 现代光学研究所

  • 天津大学 精密仪器与光电子工程学院

或者欧洲几个比较强的光学中心:

  • U of Southampton, Optoelectronics Research Centre

  • Max-Planck-Institute for Quantum Optics / Max-Planck-Institute for the Science of Light

  • CNRS, Laboratory for Photonics and Nanostructures

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步入正题,我认为目前光学的热点方向有如下几个方面:

1.超快光学(ultrafast optics)-更快更强更多彩:超快激光脉冲时域宽度极短

【“更快”的前沿是阿秒级。代表:德国马普所Ferenc Krausz-Attoworld, JASLab(老板Paul可能得诺贝尔奖, 加拿大光学头号人物), Florida Attosecond Science and Technology(Zenghu Chang)以及Colorado Boulder的Kapteyn-Murnane Group】。

时域宽度极短的特性衍生出如下特性:

  • 峰值功率密度极强(大于原子弹): 激光驱动核聚变国家点火装置(美国NIF,四川绵阳中国神光)。超快激光精细加工:“冷加工”,热效应小,相关超快激光与物质相互作用物理模型构建和模拟都是热点。(下图为答主和同事用皮秒紫外激光全自动深度自反馈加工骨头(左)和木头(右)的成果)

  • 时域宽度极短特性可实现超快成像(ultrafast imaging)。时域宽度是成像的“快门”,飞秒级别快门可对超快速移动的物体成像(飞秒脉冲的快门时间内,光子的移动距离为微米量级)。这里的成像是宽泛的概念,由飞秒脉冲采集来的信号都算在“成像”范畴。代表:1999诺贝尔化学奖得主Ahmed Zewail。
  • 宽光谱的超快激光的频谱并不是连续的,而是呈现出 “光学频率梳” 的频谱形态。光学频率梳就像一把 “频域中带有标度的尺子” 一样,在跟某个具有待测量频率的光进行叠加的时候,通过测量低频的“拍频”就可以测量其未知的频率。频率梳在绝对距离测量方面也是研究热点。代表:2005诺贝尔奖得主Theodor H?nsch和John Hall。
  • 超快激光可以产生许多非线性效应。 超连续光谱(supercontinuum, 代表:Robert Alfano。我自己实现过超连续光谱,能量调着调着突然间不可见光经过蓝宝石而变成五颜六色绚丽多彩,我当时立刻跳了起来!~ 下图就是我有红外光产生的超连续光谱),自聚焦和成丝效应(filamentation),太赫兹脉冲的产生和检测(THz-TDS)等都是热点。

2. 光学成像-更清晰,三维,集成化

  • 标记超分辨率成像(哈佛庄小威): 利用荧光标记方法标记成像物体,多次曝光进而突破分辨极限。热点是利用此法解释各种化学生物现象或者解析结构,以及实现三维成像。

  • 相干光学层析 (MIT RLE Fujimoto): 利用宽光谱光源的弱相干性实现光学层析,热点是更高的分辨率,更快的速度,OCT成像仪的微型化,以及利用多普勒OCT测量速度。

  • 近场/远场超分辨率成像(2014诺贝尔化学奖Eric Betzig): 衍射极限的傅里叶光学解释指出,光场的空间分辨率有其极限,光场的向量k的任意分量大小不应超过k值的大小。但是近场(靠近某界面)是特例,因为近场的k的垂直于界面的分量是复数,这就给了近场光某些k分量大小大于k本身大小的可能性。近场光的特别性质可实现超分辨率成像。近场可以有光纤的细小端面产生,也可以由metamaterial的surface plasmonic产生。不过毕竟要距离界面大致一个波长的距离,十分不便,其实最有意思的事情在于,理论上远场超分辨率居然产生也是可行的!因为低频函数叠加可能产生局部高频(super-oscillation),我觉得这个蛮有意思的(What diffraction limit? : Abstract : Nature Materials)。

  • 微型内窥镜光电图像处理技术: 真希望以后做胃镜不用插那么粗的管子呀...

  • 光声成像: 利用激光在生物组织种诱发的超声波来成像。代表是美国U of Washington的Lihong Wang, 他最近拿了一大笔经费。

  • 视线外成像(Non-line-of-sight Imaging): 利用超快激光的在地面的散射对非视线内的物体成像(比如枪战片中两个人靠在一个直角的墙的两个面上),代表:CORNAR: Looking Around Corners。 热点还包括对视线外运动的物体成像, 代表:nature.com。

4. 量子光学-更快更保密的未来“光脑”:

量子计算机(维也纳大学Zeilinger,中科大潘建伟):打破电子计算机的电子速度瓶颈,同时利用光子是玻色子而电子是费米子的特性。 量子通讯:利用量子态的某些特性实现快速通讯以及无法破解的加密(BB84协议)。

3. 光学控制:

光镊:我自己用一束激光拽着培养皿中的细胞游动的经历是我一辈子都忘不了的...代表:朱棣文。最近的热点是如何将其小型化。最近的热点是光学控制和微纳光学的结合应用(nature.com/nphoton/jour)以及利用Accelerating Beams对粒子进行操控, 代表Moti Segev。

(下图是答主利用有限元法和亥姆霍兹方程Matlab模拟的Accerating Beam,貌似这光自己能打弯有木有?好像是不按直线传播的光线有木有??有人用这个把一个培养皿中的粒子“推”到另外一个培养皿中,神奇吧!不过我认为其实这是个伪概念。)

4. 太赫兹光学-补全光谱的最后一块短板:得益于超快激光的发展使得稳定高能的太赫兹光源能够实现,太赫兹光子学填补了微波和可见光之间的光谱处女地。其他波段的科技目前正热烈地移植到太赫兹波段:太赫兹雷达,太赫兹光源,太赫兹微纳光子学。太赫兹由于其特殊的波段,可以穿透塑料和纤维且非电离辐射,前沿应用包括安检、药品检测、医学检测等等。俄克拉荷马大学Daniel Grischkowsky(骑着野兽式大摩托上班的太赫兹之父)和Weili Zhang组, 以及MIT Chemistry Nelson组(招了几个天大南开合办光电子技术科学专业的本科生),天津大学太赫兹中心韩家广组(跟太赫兹之父的组有合作,有钱,发了Nature Communications, Advanced Materials, PRL等若干高IF文章),Argonne National Laboratory(太赫兹光源)。

5. 微纳光学:

非常热门,我本科老师就有发Nature的,我同学有发Nature Photonics, Nature Communications, Advanced Materials的传统的光学器件无非是玻璃和金属的非微纳加工,而最近的微纳加工技术可以创造各种奇异特性的光学器件(比如超级透镜Superlens),利用表面等离子体(surface plasmonics)的产生,使他们有不同的光谱, 偏振,聚焦等特性。可以产生负折射率、隐身、自冷却(http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7528/full/nature13883.html)等神奇光学效应。代表: UCSD/Duke的David R. Smith组, UC Berkley张翔、Vanderbilt U的Jason Valentine、U Berminham的Shuang Zhang。Duke的 Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics。国内代表:国内浙江大学何赛灵、马云贵,光子晶体光纤(具有精细微纳机构的且有特别的性质的光纤)方面天津大学胡明列,异常透射微观模型方面南开刘海涛。

6. 集成光学-“大规模集成光路”是我们的目标

  • 门光路:科学家在开动脑筋制成经济实用而且可以集成化的光学三极管,有了光学三极管就有了光学逻辑门光路,然后就可以搞个什么大规模光路啥滴啦,不过困难非常多(nature.com/nphoton/jour)。同时科学家已经开始研究可以现场可编程逻辑门光路-光FPGA技术了,Nature Photonics即将发表一篇U of Ottawa的Jianping Yao的 “A fully reconfigurable photonic integrated signal processor”,真是让人心生激动,敬请期待。
  • 半导体激光器领域(没错!就是小时候我们玩的“红外线”(激光笔)):电脑要电源,光脑要光源。半导体就是未来的光脑的稳定的小型的光源。前沿是量子级联激光器,量子点激光器,超宽频半导体激光器(nature.com 的页面), 半导体管激光器(An electrically injected rolled-up semiconductor tube laser)]等等。

  • CCD,CMOS,GaAs等等光接收设备:方向是更高的带宽,更少的噪声,更大的动态范围,以及更高的敏感度-前沿是光子计数器这种对单个光子都有感知的灵敏探测器(nature.com/nphoton/jour).
另外还有光调制,集成光波导传感器,各种光通讯集成器件(跟国内大规模的光纤入户运动很有关联哦!所以国内相关项目应该很有钱) 。 代表(浙大何建军,英国南安普顿的David Thomson,以及后起之秀SiFotonics公司)。

7. LED技术:2014诺贝尔物理奖得主Shuji Nakamura搞定蓝光LED之后,最新的热点主要是白光LED的效率提升和亮度提升。OLED(代表:U of Rochester的邓青云)以及量子点LED的研发。

实在太多了,就先列举这些,还有一些前沿,比如高能激光武器(美帝和天朝)、激光焊接激光冷却慢光技术光纤传感光纤陀螺LIFI(利用可见光传输无线网络信号)、激光测距激光抛光激光近视手术激光诱导细胞性质变异光刻(荷兰 ASML, 芯片光刻机制造领头羊)、激光骨骼手术激光增材制造技术(北航王华明院士)、光场相机光存储等等。值得一提的是,很多公司实力也十分强劲,参见 https://www.zhihu.com/question/24797035/answer/33105045。

(下图为答主和同事在利用全自动三维深度反馈搞得激光雕刻骨头的照片,未来要应用到激光手术中!):

【ssssss的回答(2票)】:

光学这门学科是一门古老又新的学科,从古代对于光的争议一直到现代,只是现在没有更高级的理论,只好先定义波粒二象性,并没有统一光理论。光学工程,激光研究,光通信,光子计算机,随便一条道路,研究好了,都是一场光学进步。

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