“光场调控及应用”专辑导读

实现对光场在时域和空域的多维度联合调控对于集成化、智能化和小型化光学系统的发展具有重要意义,在信息、生命、化学和材料等领域具有广泛的应用前景。光场调控研究一般可分为空域、时域以及时空域联合调控三个方面:空域调控主要研究光场的振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布的调控机制与方法,以实现具有特殊空间分布的新型光场;时域调控主要研究激光脉冲形状、脉宽、啁啾以及相干特性的调控,以产生极短极强激光。目前,光场调控研究主要涉及光场调控原理和技术、调控光场传输机理和特性、新型光场与物质相互作用、光场调控技术应用等。光场调控研究是当前光子学研究领域的热点。

“超表面波前调控”特约专栏序言

光学元器件是以特定方式调控光的振幅、相位以及偏振,实现光场波前调控。针对未来集成化、微型化的器件发展趋势,大体积的传统光学元件无法胜任,而三维体超材料也存在加工困难、损耗大等缺陷,因此,超表面这一概念应运而生。超表面能够突破传统光学元件和体超材料的种种限制,表现出强大的波前调控能力,其与生俱来的超薄、紧凑的性质以及在亚波长尺度上空间逐点进行光场调控的能力,为集成化微型光学元器件提供了全新的设计思路。

面阵三视场微型静态红外地球敏感器设计与应用

红外地球敏感器作为检测地球矢量方位角的一种光学敏感器,是卫星实现姿态测量和控制的重要仪器.针对低轨道卫星(300~1600 km)应用需求,设计了一种面阵三视场静态红外地球敏感器,使用3个面阵红外探测器实现对三段地球红外辐射圈的位置测量,采用单片机80C32+FPGA的低成本、低功耗、小型化的设计方案,通过计算地球边缘的空间向量获得地心矢量.实验结果表明,姿态角随机误差标准差小于0.06°.

红外-可见光双目系统像素级快速融合方法

红外-可见光双目系统既能感知目标的温度,又能获取目标的颜色、纹理信息,在日常生活和工业产生中获得较多的应用.红外相机由于和可见光相机成像机制的不同,在标定过程中往往需要使用不同的靶标.本文提出了一种红外-可见光双目系统像素级的快速标定融合方法,通过设计了一种圆孔形靶标,实现了一步法标定,在可见光相机像素坐标系下像素质心标定精度小于1个像素,可用于大批量的低成本的民用红外标定产品系统.

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。

人工光子学器件的逆向设计方法与应用(特邀)

人工设计的光子学器件在超分辨、生物传感、光通信等领域都取得了卓越的成就。传统光子学器件的设计往往是通过分析物理模型和建立数值模拟方法实现的,但是基于数值模拟方法的结构设计很大程度上依赖于经验模型,同时在结构优化的过程中需要计算大量的参数组合,因此通常只能在有限的参数空间得到次优的结果。光子学器件的逆向设计有效的解决了上述问题。逆向设计方法可以在更广阔的参数空间寻找最优结构分布,还可以设计人脑无法直观设计的不规则结构,这使得光子学器件的性能更接近极限。本文介绍了光子学器件逆向设计的常用方法及基于逆向设计的几个重要应用。逆向设计方法有望促进集成光学及光场调控领域的发展。

基于光学人工微结构的光场调控研究

从光学人工微结构光场调控研究的研究现状出发,详细介绍了光学人工微结构在光场调控研究中的设计思路、研究流程和实验方法,着重展示了课题组在本领域近年来的研究进展,力图以此引导研究型实验教学,同时为相关领域研究人员提供借鉴.

基于电介质超表面的双频带双偏振通道波前调控

随着微纳加工技术的发展,超表面在亚波长尺度对电磁波的多维度调控展现出传统光学器件难以比拟的优势。基于电介质硅纳米柱结构构建了具有双频带响应的超表面,利用微结构对不同偏振入射光反射系数的差异,通过构建梯度几何相位实现了双波长下的异常反射;同时设计了超表面灰度成像阵列,在近红外波段实现了对正交偏振态和双波长入射具有不同响应的正负灰度图像。文中提出的超表面设计为基于超表面的多功能集成技术的发展奠定了基础。

克尔介质中脉冲宽度对瞬态热光非线性效应的影响

在纳秒时域 ,研究了激光脉冲宽度变化对克尔介质中瞬态热光非线性效应的影响 .通过不同脉冲宽度τp 下得到的二硫化碳苯胺黑溶液的Z_scan实验结果 ,对瞬态热光非线性效应和光克尔效应的共存过程进行了分析 .随着脉冲宽度的增加 ,观察到了热光非线性效应从瞬态到稳态变化过程和Z_scan峰谷特性的转变 .同时 ,从声波的传播方程和光波的非线性传播方程出发 ,用数值计算方法模拟了这一非线性过程 。

大非线性相移下光学非线性Z扫描特性的研究

采用高斯分解法(GD)对大非线性相移下的Z扫描特性进行了分析,通过对数值算法的优化,将GD推广到对脉冲入射激光下大非线性相移下的Z扫描理论分析.对不同条件下大非线性相移Z扫描曲线峰谷结构的比较,发现在大非线性相移的情况下,Z扫描曲线的峰和谷随透过光阑或入射光强变化表现出某些新的特性.随着透过光阑孔径的增加,Z扫描曲线峰的变化要明显快于谷的变化,而且在谷明显存在的情况下,峰很快消失.采用皮秒脉冲激光下的纯二硫化碳实验对理论结果加以验证,实验结果和理论分析相一致.我们的分析结果对大非线性相移下Z扫描测量有一定的指导性意义,避免在大非线性相移下对Z扫描结果产生错误的分析.

新型人工带隙材料和器件研究

光子带隙材料与器件的研究不仅有重要科学意义,而且对推动我国高新技术的发展具有战略意义。围绕新型光子人工带隙材料和器件,开展以重大需求为牵引的全链条攻关,在基础研究以及器件与应用研究方面取得突破性进展。本文以少层人工微结构光场调控和声子晶体的奇异能带调控、微小卫星用光子晶体激光器微推光源和基于非厄米共振耦合结构的新型无线电能传输系统3个典型成果为例,阐述基础研究与应用需求有机结合的全链条工作特点。

“微纳光学Ⅱ”专题前言

随着材料科学和微纳加工技术的不断进步,以近波长和亚波长量级空间尺度光学效应为主要研究对象的微纳光学近年来发展迅速,对光场调控、片上激光、光量子物理、非线性物理、超快动力学等领域的发展产生了深远的影响。一方面,微纳结构随着不同组成材料、不同空间构型、不同对称性排布具有丰富的光学谐振模式,这些谐振模式与近场、倏逝场和远场的光场维度密切关联,能够产生高自由度的光场调控效应,在光激射、光成像、光信息、光探测等领域具有重要的研究意义。另一方面,微纳光学因其独特的尺寸效应,为光子、激子、电子、声子相互作用提供了重要平台,进而为新型极端光场的构建及其多物理场耦合奠定了基础,在多学科交叉融合、重大科学装置研发等领域具有重要的科学意义和社会价值。此外,微纳光学也为发展集成化和动态可重构的光学器件奠定了基础,有望为新一代超高速光电子技术的发展提供有力支撑。

2015年物理科学一处评审工作综述

1 2015年度申请受理和资助基本概况2015年物理科学一处共受理各类申请项目3178项,比2014年2960增加了218项,其中面上项目申请数量增加174项,青年基金申请数量增加82项,地区基金申请量减少24项。经初步审查,不予受理项目22项,占申请总数的0.69%,比去年有较大幅度下降。经过通讯评议和会议评审,有961项获得资助,

2016年物理科学一处评审工作综述

2016年度基金评审已经结束，本文统计分析了物理科学一处本年度基金申请和资助项目情况，同时对其中出现的一些现象和问题进行分析，将我们一年来的评审工作结果向科技界汇报。基金评审工作离不开科技界广大专家们的支持，在此向支持我们工作的专家们表示感谢!1 2016年度申请受理和资助情况概述 物理科学一处2016年共受理各类申请项目3253项，比2015年3178增加了75项，其中面上项目申请数量增加84项，青年基金申请数量减少了40项，地区基金申请量增加了13项。

2017年物理科学一处评审工作综述

2017年度基金评审已结束,文章统计分析了物理科学一处本年度申请和资助项目情况,将一年来的评审工作成果向科技界同仁汇报。同时,对申请和资助过程中碰到的一些现象和问题进行归纳和总结,供科研人员参考。物理科学一处的工作得到了专家们的支持,在此表示衷心感谢!

Enhanced Fano resonance for high-sensitivity sensing based on bound states in the continuum

Although previously reported terahertz absorbers can achieve high-sensitivity refractive index sensing,the resonant peak is too broad,which leads to a low figure of merit[FOM].Transmissive sensors based on bound states in the continuum[BIC]can achieve high FOM,but they have some limitations in high sensitivity.Herein,we propose a periodic triple parallel metal bars structure to obtain high quality,a strong field,and multiple hot spots by the Friedrich-Wintgen BIC.Numerical results show the sensitivity and FOM can reach 1877 GHz/RIU and 665,respectively.Compared to the previously reported transmissive sensors based on BIC,the sensitivity has been greatly improved.

基于超表面的量子态制备与操控研究进展

单光子和多光子量子态的制备与操控对量子信息技术的发展和应用至关重要。在实现量子器件小型化和集成化的基础上对量子态进行有效制备和操控是目前量子信息技术研究领域的前沿问题。作为一种平面光学人工微结构阵列,超表面能够在亚波长尺度上实现对光场振幅、相位和偏振态等多个维度的有效控制,为微纳光学器件的设计提供了一种全新方式。近期研究表明,高效率超表面是实现小型化和集成化量子器件的理想平台。总结了近年来可见光和近红外波段高效率超表面的设计原理及其应用方向,并在此基础上对超表面在提高单光子发射器性能方面和在多光子纠缠态制备与操控方面的重要工作进行了总结。

新型卟啉衍生物反饱和吸收研究

利用纳秒脉冲激光下的z扫描方法对两种新型卟啉衍生物在450nm—490nm范围内的反饱和吸收进行了研究.通过与四苯基卟啉的比较发现,在Soret和Q吸收带之间,两种新型卟啉衍生物都具有大的反饱和吸收.采用五能级模型对实验结果进行了分析,比较了在不同波长范围内各个样品的优势.实验结果表明,在450nm—490nm范围内,两种新型的卟啉衍生物有着比四苯基卟啉更好的光限制应用前景.

空间光学模拟计算的发展与应用

空间光学模拟计算具有大规模并行计算、低功耗和超快响应速度的信息处理优势,在图像处理、边缘检测和机器学习方面显示出巨大的应用潜力。本文回顾了空间光学模拟计算的发展,着重阐述了空间光学模拟计算结合超表面在不同理论模型及体系中的研究进展与应用,通过引入人工微结构替代传统大尺寸光学元件,推动空间光学模拟计算器件向微型化、集成化发展;总结了基于自旋轨道耦合、拓扑等物理效应的新型空间光学模拟计算最新进展,为实现超带宽高速信息处理提供了新思路;对空间光学模拟计算现有挑战和研究前景进行了分析和讨论。

人工微结构光场调控的研究进展

人工微结构是增强光与物质相互作用的重要物理体系之一,为光物理与光子学技术的发展提供了全新的机遇和广阔的前景。利用人工微结构实现光场多维度精确调控及其与物质相互作用研究是物理科学研究的前沿,也是未来多学科跨越式发展的重要基础。本文系统介绍了我们在人工微结构光场偏振态、相位、振幅和多维度联合调控方面取得的最新研究进展,展示了人工微结构在光场调控研究领域巨大的研究潜力和广阔的应用前景。