中国激光杂志社23日发布了“2021中国光学十大进展”。经过评审委员会多轮遴选，冰光纤、小型化自由电子激光等10项前沿进展入选“2021中国光学十大进展”基础研究类；六维光信息复用、能降温的光学超材料织物等10项进展入选“2021中国光学十大进展”应用研究类；此外，魔角激光器、光电智能计算、高效白色发光二极管等19项成果分别荣获“2021中国光学十大进展”提名奖（基础研究类）与“2021中国光学十大进展”提名奖（应用研究类）。
基础研究类（10项）
1.弹性冰单晶微纳光纤
在人们的常识中，冰是一种透明易碎的脆性物质，没有弹性、无法弯折，难以像玻璃一样被制成光纤用来传输和调控光。浙江大学光电学院童利民教授、郭欣副教授团队与合作者们发现生长成单晶微纳光纤的冰，在性能上与玻璃光纤相似，既能够灵活弯曲，又可以低损耗传输光，还可以通过显微拉曼光谱研究冰的相变特性，有望在低温光学导波、光学传感及冰物理研究等方面获得应用。
2.PT对称和非厄米拓扑态的非线性调控
如何实现兼有多重特征的人工复杂体系去探索自然界新奇现象，是当今国际上最活跃的前沿课题之一。南开大学陈志刚、许京军课题组及合作团队搭建了同时具有非线性、非厄米和拓扑特性的光子学平台，实现了非线性对宇称时间对称性和非厄米拓扑态的调控，发现了非厄米体系中拓扑态接近奇异点时敏感性和鲁棒性的拮抗效应。这一创新成果改变了人们对开放拓扑体系中非线性效应的认知，为非厄米拓扑及其相关前沿领域的研究开辟了新方向。
3.激光尾波场加速驱动的台式化自由电子激光
中科院上海光机所电子加速研究团队等，依托于“新一代超强超短激光综合实验装置”，在国际上首次实现基于激光尾波场加速的极紫外波段的自发辐射放大输出，完成了台式化自由电子激光的原理验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。
4.双折射晶体中发现“幽灵”双曲极化激元
华中科技大学张新亮、李培宁教授课题组与国家纳米科学中心戴庆研究员、新加坡国立大学仇成伟教授等国内外团队协同创新，发现传统双折射方解石晶体中存在“面-体”复合的新型“幽灵”双曲极化激元，这种新型激元既受表面束缚，又在晶体内部以倾斜波前传播，表现出世界记录长的各向异性纳米光传输特性和极强光场压缩能力。该研究发现为光物理基础研究提供原创新思路，有望在实现纳米尺度光场、热场操控方向上展现出应用潜力。
5.阿秒电子动力学的直接绘图
通过飞秒光场直接度量电子的亚周期动力学特性，可以提供阿秒级时间分辨率，但飞秒激光与超短电子脉冲之间难以实现高精度时空同步。中科院上海光机所研究团队等通过高对比度飞秒激光与等离子体镜作用，实现了电子与激光时空同步，在实验中观测到阿秒电子脉冲在激光场调制下形成的周期性分布电子束条纹，该工作实现了强场条件下阿秒电子动力学的全光超快时空映射，可直接反馈电子在光场作用下的阿秒动力学特征，为全光阿秒电子学提供了重要技术参考。
6.反铁磁中超快自旋流的产生
超快激光脉冲在反铁磁材料中的非线性光学效应可以诱导产生瞬态磁化，而且不依赖外加磁场。反铁磁的瞬态磁化可以向邻近的重金属层注入超快自旋电流，并由于重金属层的逆自旋霍尔效应转化为高频振荡的电荷电流。为了验证这一预测，南京大学金飚兵教授与吴镝教授课题组等合作，通过探测激光诱导的反铁磁/重金属结构的太赫兹波信号，实验发现了室温零磁场条件下反铁磁的超快自旋泵浦过程。反铁磁超快自旋泵浦的发现为进一步实现高速、稳定和高集成度的反铁磁自旋电子器件提供了新的方法。
7.激光操控量子材料电子维度
超快激光与量子材料相互作用产生奇异量子态是目前国际上正在探索的量子材料操控研究前沿。上海交通大学张文涛研究组与张杰、向导团队等合作，提出利用飞秒激光对量子材料电子维度的操控机制，并利用自主研制的高分辨时间分辨角分辨光电子能谱仪和超快电子衍射装置，在三维量子材料中实现二维长程有序电子态，并在所形成的二维电子态中发现存在奇异电子态，可能是一种光致超导迹象。该发现为二维电子态研究提供了新平台。
8.大模间色散下的时空锁模
清华大学精密仪器系杨昌喜课题组与北京邮电大学电子工程学院肖晓晟课题组合作，在时空锁模激光器方向取得了新进展。合作团队证实了大模间色散下可以实现时空锁模，揭示了其锁模机理；并观察到锁模输出在多横模与近单横模之间转换。该工作在科学上扩展了对三维光学系统中复杂非线性时空动力学的理解，在工程上极大拓宽了时空锁模激光器的设计可能性。
9.近红外生物成像窗口的高效宽带消色差超构透镜
“超构表面”作为一种超薄的微纳结构，为解决设备小型化、集成化的需求提供了一个很好的平台。哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏微纳光子学实验室借助由C4对称的基本单元构成的二氧化钛超构表面并凭借先进的微纳加工手段，设计并制备出了工作于近红外成像窗口的高效率宽带消色差超构透镜。首次将二氧化钛微纳制备的深宽比提高到37.5，是先前记录的2.5倍。实验结果表明该消色差超构透镜在650-1000nm波段范围内实现消色差成像，平均聚焦效率破纪录地高达88.5%。同时，通过生物成像实验进行对比，消色差超构透镜成像质量媲美商用物镜，在分辨率方面要优于商用物镜。该工作对于生物医疗，集成光学以及微纳制备的发展具有重要意义。
10.非线性黄昆方程与太赫兹巨非线性效应的实现
著名的黄昆方程揭示了横光学声子与光子耦合成为声子极化激元的物理本质，成为极化激元研究的物理开端。最近，南开大学研究团队及合作者提出并推演了非线性黄昆方程，预言并证实了一种由极性晶体受激声子极化激元介导的光与物质相互作用新机制。在该机制的作用下，太赫兹波段的非线性可以提高五个数量级左右。这一发现为光与物质相互作用、太赫兹科学与技术、极性晶体材料调控、自旋量子比特的光调控等研究提供了一条新的途径。
应用研究类（10项）
1.纳米尺度六维光信息复用
光的波长、偏振、轨道角动量等物理维度可以建立正交的数据通道，利用光的物理维度作为信息的载体可以提高光信息技术的容量和安全性。暨南大学和上海理工大学等联合研究团队通过携带光子轨道角动量的紧聚焦涡旋光场，揭示了光信息存储介质产生轨道角动量响应的机制，首次在纳米尺度下实现了轨道角动量、偏振、波长及三维空间上的六维光信息复用存储技术，该技术不仅可以促进与轨道角动量相关的基础科学研究，而且有望为下一代大容量光信息通讯、存储技术提供新思路。
2.基于形态学分级结构设计的辐射降温光学超材料织物
华中科技大学陶光明团队与多家科研和产业单位联合创新，基于形态学分级设计研发无源降温光学超材料织物，实现了太阳辐射波段92.4%的反射率以及中红外波段94.5%的发射率。光学超材料织物具有可产业级宏量制造的优势，与我国完备的化纤纺织行业体系相兼容。在户外暴晒环境的降温测试中，相较于商用棉织物，光学超材料织物可为人体降温近5 °C；在模拟汽车测试中，光学超材料织物可为汽车内部降温近30°C。该研究实现了跨领域多学科协同创新，代表了智能织物在光学和热管理领域取得的重要进展，启示并推动传统工业的创新与发展。
3.基于吸收型存储器的多模式量子中继
量子中继可以克服信道损耗实现远程的量子通信。已有的量子中继都是基于发射型量子存储器构建的，其物理系统单一导致通讯速率受限。中国科学技术大学李传锋、周宗权研究团队利用固态量子存储器和外置纠缠光源，成功演示量子中继的基本链路，并展现了多模式复用在量子中继中的加速作用，为实用化高速量子网络的构建打下了坚实的基础。
4.相干能量调制的自放大机制
如何实现全相干、高重复频率运行的自由电子激光已经成为自由电子激光发展的关键挑战之一。中国科学院上海高等研究院和中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光团队提出了一种相干能量调制的自放大机制，并且基于软X射线自由电子激光装置完成了实验验证。利用自放大机制，成功实现了两级级联HGHG在种子激光的30次谐波放大出光。这是目前国际上“工作谐波/激光调制” 最高的外种子自由电子激光放大结果。该结果为兆赫兹级重频的外种子自由电子激光铺平了道路，从而有望为高分辨谱学和极紫外光刻等技术带来新的突破。
5.新型范德瓦尔斯单极势垒红外探测器
中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员与复旦大学周鹏教授等在新型光电探测器的研究中取得了开创性进展，研制出新型范德瓦尔斯单极势垒红外探测器。该工作创新性地利用原子层堆叠实现了能带局域态操控，构建出范德瓦尔斯单极势垒探测器，突破性地解决了传统材料势垒结构外延生长、晶格失配以及组分能带梯度难以控制的问题。新型范德瓦尔斯单极势垒结构的提出不仅为红外探测器暗电流过高的瓶颈问题提供了解决思路，也为二维材料步入红外应用领域提供了关键技术方案。
6.片上光力光学频率梳产生
南京大学现代工程与应用科学学院姜校顺、肖敏团队利用片上光学微腔中的大振幅光力振荡，实现了一种新的光学频率梳（光力光学频率梳）。这种片上微型光学频率梳具有低重复频率、光谱平坦等优点。基于这种光谱平坦的光学频率梳，研究团队还同时实现了宽带的微型微波频率梳。
7.全柔性织物显示系统
面向智能电子织物等可穿戴电子设备对显示技术提出的新要求，复旦大学彭慧胜/陈培宁研究团队等提出在高分子复合纤维交织点构建多功能微型发光器件，通过揭示高曲率纤维界面电场分布的独特机制，解决光滑纤维表面活性材料均匀涂覆和纤维电极界面稳定性等难题，在国际上率先实现了柔性显示织物及其智能集成系统。该智能织物系统将电子器件的制备与织物编织过程有效融合，具有智能、轻质、透气、可洗涤、高柔性等独特优点，将有力推动柔性电子、便携式人机交互系统、柔性健康监测终端等领域的快速发展。
8.溶液中单分子电化学反应的直接成像
单分子水平揭示化学反应的空间位置、路径和动力学是化学研究面临的本质科学问题，这对精准测量提出重大的研究需求。浙江大学冯建东团队通过时空孤立策略首次实现了对单分子电致化学发光反应的空间成像，并利用空间孤立的分子反应定位信息重构实现了超分辨电致化学发光成像。这种基于化学途径的单分子显微镜技术可与超分辨荧光显微镜实现互补，有望对单分子测量、催化表征和生物成像等领域产生重要影响。
9.线照明调制显微术实现高清成像
华中科技大学、海南大学骆清铭团队发明了线照明调制光学层析成像新原理，同时兼具高分辨率、高通量、高鲁棒性、高背景抑制能力、高灵敏度等优点，填补了相关技术的空白。在此基础上，他们迭代更新建立了高清荧光显微光学切片断层成像技术，实现高分辨率全脑三维原始数据信噪比110，将全脑光学成像提升到高清晰度的新标准。高清的图像质量，显著提升了后续数据相关环节的工作效率，为攻克脑图谱绘制中的大数据挑战提供了新的切入点。
10.三维异质集成MoS2 TFT高分辨Micro-LED显示技术
在国家重点研发计划、自然科学基金等项目的支持下，南京大学新型显示技术研发团队等提出基于二维半导体材料二硫化钼TFT驱动电路集成的超高分辨氮化镓Micro-LED显示技术方案，开发出晶圆级二维半导体TFT制造工艺，无需巨量转移的低温后端工艺单片异质集成技术，实现了1270 PPI的高亮度微显示器，该成果被发表期刊评价为：“突破了传统半导体驱动电路的性能瓶颈，将给未来显示带来颠覆性的产品”。
（傅文婧）
(东方网)