近日

2021中國光學(xué)十大進(jìn)展評選結(jié)果公布

華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心

3項(xiàng)成果上榜

其中1項(xiàng)入選基礎(chǔ)研究類

2項(xiàng)入選應(yīng)用研究類

中國光學(xué)十大進(jìn)展

“中國光學(xué)十大進(jìn)展”由中國激光雜志社自2005年發(fā)起，始終關(guān)注中國最前沿的光學(xué)研究成果和科研進(jìn)展，至今已成功舉辦17屆，已評選出的394項(xiàng)具有重大科學(xué)價值的光學(xué)成果。本次中國光學(xué)十大進(jìn)展共評選出10項(xiàng)基礎(chǔ)研究類和10項(xiàng)應(yīng)用研究類進(jìn)展，此外，還有19項(xiàng)成果分別榮獲基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究十大進(jìn)展提名獎。

該評選活動采取函評和終評兩種方式，由來自清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院物理所等44家科研院所，79名院士和知名專家組成的推薦委員會、終評委員會，經(jīng)過多輪嚴(yán)格審核，最終評選得出。

雙折射晶體中發(fā)現(xiàn)“幽靈”雙曲極化激元

入選基礎(chǔ)研究類

張新亮、李培寧教授課題組領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)，與國家納米科學(xué)中心戴慶研究員、新加坡國立大學(xué)仇成偉教授等合作，理論提出并實(shí)驗(yàn)證明了傳統(tǒng)的雙折射晶體中存在一種處于中紅外波段的“面-體”復(fù)合型雙曲極化激元電磁波，拓展了極化激元基礎(chǔ)物理定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究具有重要指導(dǎo)意義。

極化激元（polaritons）是由光和物質(zhì)強(qiáng)耦合作用產(chǎn)生的一種“半光-半物質(zhì)”準(zhǔn)粒子，能夠突破衍射極限將光場壓縮聚焦到很小的尺度，縮小光學(xué)器件的物理體積，實(shí)現(xiàn)奇異的微納光學(xué)現(xiàn)象和重要應(yīng)用。

極化激元不僅是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)領(lǐng)域，同時也是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向之一。早在1951年，我國著名半導(dǎo)體物理學(xué)家黃昆先生就提出聲子極化激元的經(jīng)典理論，開辟了這一重要研究方向。目前，這些不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面?zhèn)鞑サ谋砻婺Ｊ胶驮诓牧蟽?nèi)部傳播的體模式。

團(tuán)隊(duì)的研究成果突破了固有認(rèn)識，證明了在各向異性的晶體方解石中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元模式，由傳統(tǒng)的表面模式和體模式極化激元復(fù)合而成，既束縛在界面上傳播，同時又在晶體內(nèi)表現(xiàn)出傾斜的波前傳輸。

三種極化激元模式的特征電磁場模式分布的比較

（上）“幽靈”極化激元模式、（中）表面模式、（下）體模式

這種新型極化激元模式的證明和發(fā)現(xiàn)也表明，在麥克斯韋方程組建立近150年后，在傳統(tǒng)晶體的單界面這一最簡單體系中仍然存在著新的基礎(chǔ)光物理。

借助納米成像技術(shù)，研究者證明了這種獨(dú)特電磁波的存在，表現(xiàn)出在平面內(nèi)高度各向異性，在圓形金屬天線的右側(cè)觀測到了射線形式的傳播，且低損耗傳輸長達(dá)20微米。

近場成像實(shí)驗(yàn)證明“幽靈”極化激元的各向異性傳播特性

（左）實(shí)驗(yàn)示意圖、（中）測量的“幽靈”極化激元高分辨近場圖像、（右）波矢空間分布圖

研究工作拓展了極化激元基礎(chǔ)物理的“教科書”定義，預(yù)測了通過雙折射晶體光軸的朝向來調(diào)節(jié)極化激元的可行性，對實(shí)現(xiàn)奇異的微納光學(xué)現(xiàn)象具有極大的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”為題，于2021年8月18日在線發(fā)表于Nature。

基于形態(tài)學(xué)分級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輻射降溫光學(xué)超材料織物

入選應(yīng)用研究類

陶光明教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)馬耀光團(tuán)隊(duì)等多家科研和產(chǎn)業(yè)單位基于形態(tài)學(xué)分級結(jié)構(gòu)(Hierarchical-morphology)，設(shè)計(jì)研發(fā)出了一種無源降溫光學(xué)超材料織物(Metafabric)，在戶外暴曬環(huán)境可為人體表面降溫近5 。

由于包括人體在內(nèi)的常溫地表物體的中紅外輻射光譜，與8-13μm的大氣透明窗口基本重疊，這使得利用外太空環(huán)境進(jìn)行降溫成為了可能。超材料織物正是基于輻射制冷的原理，通過形態(tài)分級的設(shè)計(jì)理念，使面向天空的地表物體可以通過大氣透明窗口向宇宙輻射熱量，將溫度接近絕對零度的外太空作為一個“天然冷庫”，從而實(shí)現(xiàn)零能耗降溫。

同時，超材料織物如同一個為太陽光精心設(shè)計(jì)的“迷宮”，光線散射拐彎后絕大部分都被反射出去，從而避免顯著的升溫。因此，在戶外暴曬環(huán)境下，超材料織物就像一個空調(diào)，保持著物體與宇宙暢通的熱交換通道，又像一面鏡子，阻擋太陽輻射輸入?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，超材料織物實(shí)現(xiàn)了92.4%的太陽輻射反射率和94.5%的中紅外發(fā)射率，且可為人體降溫近5 C，為汽車模型內(nèi)部降溫近30 C。

無源降溫光學(xué)超材料織物示意圖

無源降溫光學(xué)超材料織物照片

研究成果以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”為題，于2021年7月8日在線發(fā)表在Science上。

線照明調(diào)制顯微術(shù)實(shí)現(xiàn)高清成像

入選應(yīng)用研究類

該技術(shù)由駱清銘團(tuán)隊(duì)發(fā)明。生物組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，如何在三維空間用光學(xué)方法對其進(jìn)行全面準(zhǔn)確觀測是公認(rèn)的技術(shù)難題。特別是熒光標(biāo)記的神經(jīng)元，胞體直徑約為10-30 μm，從其伸展出去投射到全腦不同腦區(qū)的軸突直徑只有0.2-0.5 μm，它們在亮度上相差2-3個數(shù)量級，空間分布卻是常常交織在一起。當(dāng)在周邊胞體的干擾下探測軸突上的微弱熒光信號，就如同在明亮的太陽周邊觀察小星星。對此類情況，傳統(tǒng)的光學(xué)層析方法難以實(shí)現(xiàn)。

駱清銘團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的光學(xué)層析顯微成像新原理——線照明調(diào)制（Line-illumination modulation, LiMo）顯微術(shù)，巧妙地將線照明光強(qiáng)的高斯分布作為一種天然的調(diào)制，采用多線探測的方式可以一次性記錄下樣本被不同強(qiáng)度照明調(diào)制的信號，并且只需要一步線性計(jì)算即可去除相同的焦外背景信號，獲得清晰的焦面光學(xué)層析圖像。該方法首次實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高通量、高魯棒性、高背景抑制能力、高靈敏度的同時兼顧，突破了現(xiàn)有原理的光學(xué)層析能力極限，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白。不論是光路還是算法，LiMo都充分體現(xiàn)了大道至簡的智慧。

LiMo顯微術(shù)成像原理示意

基于此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了高清熒光顯微光學(xué)切片斷層成像（High-definition fluorescent micro-optical sectioning tomography, HD-fMOST）新技術(shù)，將全腦光學(xué)成像從高分辨率提升到高清晰度的新標(biāo)準(zhǔn)，是目前相似體素分辨率下速度最快的全腦光學(xué)成像技術(shù)。高清的成像質(zhì)量從數(shù)據(jù)源頭為數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理和分析等方面都帶來了顯著的效率提升，為破解全腦光學(xué)成像技術(shù)在推廣應(yīng)用中的大數(shù)據(jù)瓶頸問題提供了全新的解決思路。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，將有望在標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；哪X科學(xué)研究中發(fā)揮巨大作用，為繪制單細(xì)胞分辨的介觀腦圖譜貢獻(xiàn)一份力量。

小鼠腦全腦最大值投影圖在病毒注射位點(diǎn)的局部放大

研究成果以“High-definition imaging using line-illumination modulation microscopy”為題，于2021年3月1日在線發(fā)表在Nature Methods上。

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來源：華中科技大學(xué)官方微信公眾號

編輯：高翔、艾婷