光学是研究光的行为和性质的物理学科，也是与光学工程技术相关的学科，是物理学的一个重要组成部分。
本文回顾了光学领域在2021年的重大进展，盘点了生物光子学、量子光学、光学探测与整形、涡旋光、孤子光学、人工智能、光学传感、太赫兹光学、光伏光电、照明显示、拓扑光子学等领域的重要进展，探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响。
生物光子学
人工耳蜗在日常生活的嘈杂环境中难以理解语音，难以跟踪旋律和欣赏音乐。
研究人员提出了结合光遗传学和专门的光学人工耳蜗的听力恢复方法，开发了 多通道光学人工耳蜗 ，光遗传学刺激的光谱选择性接近正常听力的光谱选择性，并且大大超过了最先进的电子耳蜗植入物的 光谱选择性 。
该系统的第一次人体试验计划在2025年底前开始。
光遗传听力恢复系统
快速、准确检测病毒对于遏制当前和未来大流行至关重要。
研究人员开发了一种可以在无标记的情况下 快速识别COVID-19病毒 的光学方法，将空间光干涉显微镜（SLIM）与深度学习算法相结合，并使用深度学习进行检测和分类。
SLIM不仅可以检测到病毒，还可以 区分不同类型的病毒 。
利用SLIM和机器学习进行病毒粒子分类
人造智能皮肤 是指能够模仿或者增强人体皮肤功能的一系列 柔性功能元器件 。
研究人员提出了基于柔性有机微纳激光阵列实现 人造光子皮肤 的新思路，开发了一种双层电子束直写技术，实现了全有机柔性微腔激光阵列的大规模制备，进而设计了基于耦合腔结构的光子学传感器网络，展示了其类皮肤的 机械传感应用 。
基于有机微纳激光阵列实现人造光子皮肤概念
利用 量子超距 作用，研究人员发明了能够将 活着的细胞结构细节 看得更清晰的显微镜。
研究者使用了一种 带有2个激光光源 的显微镜，通过在激光束中的光粒子中引入量子纠缠“挤压”其中一束光线，使光子被耦合成相互关联的对，其中任何具有不同于其他光子能量的光子都被丢弃。
这一过程降低了光束的强度，同时降低了噪声，可以 更精确成像 。
活酵母菌细胞的量子增强成像
光动力疗法（PDT）和脂肪棕化诱导是两种独特的减肥方法，前者起效迅速但范围小，后者作用相对缓慢但影响广泛，它们存在互补性。
由此，研究人员提出了一种光声分子成像护航下的 光动力/棕化抗肥胖策略 ，并研发了具有白色脂肪靶向的乙肝病毒核心蛋白（HBc）复合物。
光声分子成像护航下的脂肪光动力/棕化抗肥胖策略
光镊技术 是采用以芯片为基础的光子共振捕获技术的光阱，能对 纳米至微米级的粒子 进行操纵和捕获。
2021年，研究人员发明了一种 激光镊子 ，可以精确地重新定位 单个病毒 ，使其瞄准细胞的特定部分，并在1 min内将受损或不完整的病毒分离出来。
研究人员开发了一种 光制冷光镊 ，利用固态光学制冷和热电泳技术在激光产生的寒冷区域捕获粒子和分子，减少光对目标物体的热损伤。
研究人员开发出了 光镊耦合拉曼光谱 ，可直接探测与帕金森病密切相关的固有无序蛋白（IDPs）的结构特征，以 单个蛋白分子 为研究对象，从生理浓度上对IDPs进行了研究。
光制冷光镊工作原理
量子光学
目前的光与物质相互作用仅限于单个原子，限制了人们在涉及量子技术的复杂系统中研究它们的能力。
研究人员首次发现了一种让光子与成对原子 相互作用 的方法，使用了由原子构成的费米气体，在没有光子的情况下，这些原子会形成松散的结合对，当光进入气体时，其中一些原子对可以通过 吸收光子 而变成化学结合的分子。
费米气体空腔实验概念
如何有效控制光子之间的相互作用，是量子光学研究的核心之一。
研究人员研发了新型的 纳米超材料 ，在量子光学中引入一个新的自由度，首次实现了对光子之间量子相互作用的 任意操控 ，为量子科学和技术的发展提供了新思路。
非幺正超表面光量子干涉中引入一种新的自由度
核心器件的属性 和光子的 量子本性 在某些场合是不可区分的，可以等效地相互转化。
由此，研究者将纳米超材料的空间旋转自由度设计为光子量子相互作用的 新自由度 ，通过旋转纳米超材料或改变单光子的偏振，实验上首次实现了 连续和动态地控制双光子 的量子干涉，等效实现了对光子量子本性和光子之间量子相互作用的任意操控。
这使得光子可以表现得有时像玻色子，有时像费米子，或者介于两者之间的任意状态，从而 超越了光子固有的玻色子本性 。
外力作用下电子的 布洛赫振荡 一直是研究的热点，却很难在实验上进行观测。
2021年，研究人员首次提出 动态能带 的概念，揭示了外力作用下电子的 动态演化规律 ，并在光学谐振腔系统中通过构建合成频率空间实现了动态能带的实验测量。
为从 合成维度 的角度探索固体和光子系统的动力学提供了新的视角，还为光子系统中的 能带操控 提供了广阔的前景。
动态能带结构
氮气离子 是一个用以研究光与物质相互作用以及光子相干操控特性的 量子光学平台 ，有望在将来从实验室移动到室外的大气环境中。
2021年，研究人员在相干激发的氮气离子中实现了 “光子存留”效应 ，验证了在大气离子气体中对光子进行相干操控的可能性。
相干激发的氮气离子中实现“光子存留”效应（a）相干激发的氮气离子中实现“光子存留”原理；（b）能级方案
光学探测与整形
激光源的光束整形 通常是通过使用腔内空间光调制器（SLM）动态控制传统激光器中的强度和相位分布来实现的，这种激光器的激光模式数量有限，只能产生较低的空间分辨率，提供有限的激光光相干控制。
研究人员采用了结合腔内数字SLM和腔内空间傅立叶滤波器的 简并腔激光器 ，从而利用大量独立的激光模式，直接访问近场和远场平面，提供对所有光束 自由度完全、独立的控制 ，由此开发了一种新颖、快速和有效的方法来生成具有任意强度、相位和相干分布的 高分辨率激光束 ，有效地将成形的激光束重新整形为完全不同的形状，且可以 高保真 地生成极高阶的激光模式。
数字简并腔激光器
现有的气体探测激光雷达主要包括2种： 距离分辨差分吸收激光雷达 ，实现有距离分辨率的气体浓度遥感，但是数据反演时需要已知气体光谱线型； 路径积分差分吸收激光雷达 ，可获得路径积分的平均光谱，但无法获得距离分辨信息。
研究人员发明了一种 单光子探测自由空间区段光谱遥感技术 ，实现了自由大气中二氧化碳和半重水有距离分辨率的光谱遥感分析。
通过脉冲式光纤放大器的优化，该系统可实现光通信波段中的 多种气体光谱 的遥感分析。
探测激光和参考激光时分复用
涡旋光
光学涡旋光束的 拓扑-相位奇异性 与轨道角动量和环形强度分布有关，开发涡旋光束的关键挑战包括设计其特性及限制或抑制不利的衍射效应。
研究人员将光学针状光束（OPB）的概念和方案扩展到携带轨道角动量的光学光束，在理论和实验上证明了 针状光学涡旋光束 （POVBs）。
针状光学涡旋光束动力学表征
POVBs通过调制实空间中 初始单色平面波 的相位和振幅分布产生，振幅结构经过适当设计以控制传播范围内的峰值强度演变并增加 抗衍射特征 。
实验中，研究者通过基于空间光调制器的整形技术调制输入光束的相位来实现POVBs，从而对幅度和相位进行编码。
该研究扩展了对针状反衍射涡旋光束的理解，并在长距离自由空间光学中建立了 奇异光学和结构光之间的联系 。
孤子光学
孤子 是在自然界中发现的 自持粒子状波包 。
研究人员展示了一类新的光学孤子的理论和实验观察，其特征是在具有强光谱滤波的正常色散谐振器中具有 大且正啁啾的脉冲 。
尽管耗散很大，但啁啾脉冲在低品质因数谐振器中仍然 保持稳定 。
通过将脉冲生成扩展到正常色散系统还可以使其支持更高的脉冲能量，将使 超短脉冲 和 频率梳源 成为可能，进而使其更简易地应用于光谱学、通信和计量学等领域。
啁啾耗散孤子的实验原理
时域折射 是指光束在折射率时变介质中通过时域边界时在时域坐标轴上发生折射现象。
时域边界由于打破时间平移对称性，导致光通过其传输时会发生频率变化，出现 光子加速现象 。
光畸波 的存在会对光学器件造成损伤，但是通过对其调控，可在脉冲放大、高阶鬼成像等领域有着重要的应用价值。
研究人员对高功率脉冲在非线性反常散射介质中与时域边界相互作用的光学性质进行了研究，发现对入射脉冲的脉宽与功率值进行合理调控，可在时域边界处形成 表面光孤子 。
该研究揭示了在具有事件视界的非线性光学系统中一种产生光畸波的机制，并在时域边界 表面光孤子理论 和 光畸波物理学 之间建立了联系。
人工智能
2021年，研究人员演示了 深度神经网络 如何精确模拟和预测光纤中复杂的非线性动力学，包括光学杂散波生成和宽带超连续谱生成。
这种网络具有 时间维度 ，通常用于语言处理、语音识别或预测问题等任务，既能识别特定的动态模式，也能了解模式如何随着距离的推移而演变。
研究者将这个递归神经网络应用于非线性光纤中的脉冲压缩和超宽带超连续谱产生的 动力学预测 中，取得了很好的效果。
递归神经网络及预测
类脑智能 是受大脑神经运行机制和认知行为机制启发，以计算建模为手段，通过软硬件协同实现的机器智能，实现类脑智能是人类长期以来一直追求的梦想。
研究人员突破了信息传感、存储和计算之间信息交换时存在的性能瓶颈，创新性地提出了一种 同质晶体管-存储器架构 和 新型类脑神经形态硬件 。
同质晶体管-存储器架构的原理及器件结构
光学传感
研究人员创造了一种模仿螳螂虾眼的新型有机电子传感器，称为 SIMPOL传感器 ，该传感器可以装在智能手机上，并进行高光谱和偏振成像。
SIMPOL的颜色通道可以辨别典型成像传感器1/10的光谱特征，为 新型有机电子传感技术 打开了大门。
螳螂虾眼和仿生传感器
“ 片上实验室 ”将传统实验室中样品输送、混合与反应过程转移到小巧的 微流控芯片 上进行，不仅显著降低了样品用量，而且极大提升了反应效率。
研究人员提出了一种高空间/时间分辨率的 光纤光声传感技术 ，可以“拍摄”出微流通道中2种透明溶液的相互扩散过程，对 扩散界面 的建立、稳定与消退过程进行可视化。
该技术开启了光纤传感新模式，有望在 细胞分析 、 疾病内窥探测 等领域取得应用。
基于光热引起声学振动的光纤光声传感器
太赫兹光学
太赫兹技术 在高速通信、生物医学成像、雷达和安全检测等领域具有变革性的应用前景。
强太赫兹源 的缺乏是制约太赫兹科学与技术发展的关键。
研究人员全面提升了泵浦激光转化为太赫兹辐射的能量转化效率，获得了单脉冲能量1.4 mJ、峰值电场6.3 MV/cm、峰值磁场2.1 T、能量转化效率0.7%的国际领先 超强太赫兹辐射 。
利用铌酸锂倾斜波前技术产生太赫兹辐射的原理示意
如何对太赫兹波的相位和振幅进行 有效的动态调控 已成为研究的热门。
研究人员提出了一种利用片上多路数字编码控制二维电子气微扰结构单元微扰谐振态实现对片上传输太赫兹波高精度相位调控的新方法，形成了 多路可编码 的超构芯片新结构。
这种方法可实现对太赫兹波的相位进行 高精度的数字操控 。
多通道场微扰编码芯片结构
基于传统射频加速技术的下一代高能粒子加速器，面临装置结构复杂、造价昂贵等技术挑战。
清华大学研究团队完成了世界上首次 相对论电子束的级联太赫兹加速方案 的原理性验证实验，实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速，将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益 提高了1个量级 。
该成果填补了太赫兹加速在高能段的技术空白，验证了一条切实可行的高能量太赫兹加速器的技术路线，并为太赫兹加速技术在 超快科学 、 强场物理 、 先进光源 与 新加速器 等领域的应用带来全新的机遇。
级联太赫兹加速实验
光伏光电
钙钛矿太阳能电池 的厚度不到1 μm，此外，与硅太阳能电池制造的温度相比，它们可以使用溶液工艺和低得多的温度制造。
虽然目前有机无机杂化钙钛矿在多种器件中得以发展，但是实现高质量材料的同时，改善器件制备的 可重复性 、 合成大面积器件 仍具有非常大的难度。
研究人员提出了一种 液体介质退火技术 （LMA）制备钙钛矿太阳能电池的薄膜，得到的钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定输出功率达到24.04%，并在2000 h 连续工作后仍 保持95%的最初效率 。
液体介质退火合成钙钛矿的过程
照明显示
如何将显示功能与织物融合集成，在实现显示的同时又确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性，是这个领域的一个难题。
复旦大学研究团队提出在高分子复合纤维交织点集成微型发光器件，实现了 大面积柔性显示织物和智能集成系统 。
该研究团队还发展了高效的集成方法，实现了集能量转化/储存、传感、实时通信等功能于一体的 智能织物显示系统 。
显示织物结构和发光点照片
如何实现 更长的红外波段 尤其是红外II区响应的上转换发光，对于*土稀**发光基础研究及前沿应用具有重要研究意义。
研究人员提出了一种可以有效实现红外II区响应的上转换发光机理模型，通过引入镱亚晶格选择性调控敏化剂铒与发光离子之间的相互作用，成功获得了 多种离子的上转换发光 。
该研究促进了对微观尺度能量迁移和*土稀**发光物理本质的理解，有望进一步推动 *土稀**发光基础研究 以及研发 新型高效上转换发光材料体系 。
镱亚晶格实现红外II区响应上转换发光原理和纳米粒子结构设计
钙钛矿量子点电致发光LED的 稳定性 是决定其实现 规模化商业应用 的关键因素。
研究人员通过氟化物后处理钙钛矿量子点的方式，首次实现环境温度处于100℃范围内量子点荧光性能近乎零“热猝灭”，所制备的LED电致发光器件也具有优异的 抗“热猝灭”性能 。
另外，研究人员首次报道了明亮高效的 单层超薄钙钛矿白光LED ，构筑了基于同质异相α-δ-CsPbI3单层薄膜的LED器件，实现了 输出可调 的高效电致白光。
单层超薄钙钛矿白光LED结构及性能
拓扑光子学
近年来，拓扑光子学和非厄米光学成为光子学中两个最活跃的新兴研究领域，但在光学领域还没有能找到或是搭建一个 可调控的非线性非厄密拓扑光子学实验平台 。
研究人员利用自主研发的连续激光直写技术，首次在非线性晶体中制备了 非厄米拓扑光子晶格 ，实现了非线性对宇称时间对称性与非厄米拓扑态的调控，并且理论上进一步揭示了非线性效应对非厄米体系中奇异点的影响以及拓扑态接近奇异点时敏感性和鲁棒性的拮抗效应，为 非厄米拓扑光子学 及其交叉领域提供了新的研究方向。
PT对称性和拓扑状态的单通道非线性调控
最近人们发现体-边对应关系不足以区分许多由晶格对称性保护的拓扑材料，即 拓扑晶体材料 ，如何通过实验方法确定拓扑晶体材料的拓扑性质随之成为一个重大挑战。
研究人员借鉴自然界中常见的晶体缺陷结构，设计提出了一种基于具有六重旋转对称性的可重构光子晶体的 人工旋错模型 ，发现在体-旋错对应关系中，诱导出的分数荷量子数完全依赖于 拓扑指标 ，可以用来表征拓扑晶体材料。
本文作者：卢战韬，李林骏，邱丽娟，谢兴龙，朱健强
作者简介：卢战韬，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，博士研究生，研究方向为高功率激光和ICF聚变物理；谢兴龙（通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为超短脉冲激光技术；朱健强（共同通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为高功率激光技术。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年光学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。