2022中国光学十大进展重磅发布！

近日，中国激光杂志社发布“2022中国光学十大进展”提名奖。华中科技大学费鹏、张玉慧团队的多级衍射光片成像技术实现活细胞3D动态超分辨观测等20项成果分别荣获“2022中国光学十大进展”提名奖（基础研究类）和“2022中国光学十大进展”提名奖（应用研究类）。

基础研究类（10项）

1. 效率首次突破量子不可克隆极限的微波——光    波相干转换

华南师范大学廖开宇、颜辉、朱诗亮团队在量子网络领域取得重要研究进展：理论提出并实验实现了一种基于非共振六波混频的微波-光波相干转换方案，利用冷原子系综实现了效率超过82%的微波-光波相干转换，为超导量子计算机光学接口的实用化奠定了基础。

2. 首次实现非重力压制下的锶原子浅光晶格赫兹窄谱

中国科学院授时中心常宏团队和重庆大学汪涛、张学锋团队合作，国际上首次利用弗洛凯技术在锶原子浅光晶格钟平台上将kHz的谱线压窄到Hz级别。该实验不仅为量子精密测量提供了新的思路，也向空间载星载光钟迈出了重要的一步。

3. 近场光学旋涡中的光学斯格明子结构

深圳大学袁小聪、杜路平团队通过研究旋转对称性破缺下的光学自旋-轨道耦合，发现并论证了光学自旋拓扑态与对称性的紧密联系，揭示了自旋拓扑光子学新物理，在光学位移传感、磁畴检测、量子技术等领域具有重大的应用前景。

4. 基于液态水的宽带太赫兹脉冲相干探测

首都师范大学张亮亮联合北京理工大学赵跃进、中国人民大学王伟民团队在国际上首次实现了基于液态水对宽带太赫兹波的相干探测，获得太赫兹电场的时域波形，频谱响应达到0.1~18 THz，并可扩展到更宽的范围。此方案突破了传统的固体探测中频谱受限的瓶颈，所需激光能量比气体探测低2个量级，灵敏度提高一个量级。后续研究证实液体探测可通过改变液体种类等手段进一步提高性能，并为生物水环境下分子动力学研究提供新的技术途径，促进了太赫兹液体光子学的发展。

5. 实现46阶非线性光子雪崩效应及超分辨荧光成像

华南师范大学詹求强团队在物理原理上创新提出了在不同发光离子间迁移光子雪崩效应的新机理，基于低功率连续激光激发在纳米尺度、室温条件下实现了46阶的超高阶非线性荧光效应；基于此效应，在光学应用上使用单束连续激光实现了λ/14的远场光学分辨率，功率仅需300微瓦，系统条件也比传统共聚焦更简易，进一步还实现了亚细胞超分辨生物成像。该成果通过纯物理法打破光学衍射极限，为超分辨显微成像提供简便方法的同时，在其他同样需要克服衍射极限的光刻、光存储、光传感等领域也具有广阔的应用空间。

6. 大面积、高通量的鲁棒性单向体态传输

华南理工大学李志远团队提出异质Haldane模型预测了电子体系中单向体态的存在，可实现能量的高通量输运。他们进一步将该模型拓展至光子学领域，在异质磁化的紧凑型二维蜂窝晶格磁光光子晶体中实现了电磁波的长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输。该研究工作拓展了人们对拓扑物相的认识，丰富了拓扑物态调控的手段，并为开发高通量、强鲁棒性能量输运材料及结构提供新思路。

7. 基于叉指电极结构的无载流子注入的发光器件

清华大学宁存政团队突破传统半导体光电子器件设计框架，充分利用二维半导体激子结合能大的优势，提出一种基于叉指电极结构的二维半导体发光器件。该器件不需要电极与二维半导体直接接触并注入载流子，不需要对二维半导体进行掺杂或制作PN结，而是通过电场加速材料中已有载流子，使之与半导体价带电子碰撞，产生激子并发光。该结构可以利用碎片化二维半导体制备大尺寸及多波长发光器件。

8. 利用热活化延迟荧光发光机制实现高效X射线闪烁和成像

浙江大学杨旸等人和合作者探索了X射线激发物质分子的激发态物理机制，与紫外可见光激发不同，团队发现X射线光子会激发大量三线态暗激子，并提出了定量测量单三线态生成比例的方法。基于这一物理图象，团队借鉴有机发光显示领域的知识，首次提出了利用热活化延迟荧光高效、高速利用X射线激发下的三线态暗激子的新机制，为X射线成像应用提供了新的科学基础。

9. 发现光学自旋-轨道映射新奇现象

华中科技大学王健团队在各向同性光纤波导介质中发现了一种光纤本征模退简并特性引起的光学自旋-轨道映射新现象。该发现丰富了光的自旋-轨道相互作用的内涵，为光的自旋与轨道自由度提供了新的操控手段，有望应用于光通信、光计量和量子光学等领域。

10.飞秒激光直写三维无机纳米结构研究取得新进展

中国科学院理化技术研究所金峰、郑美玲联合暨南大学段宣明等在飞秒激光三维无机纳米结构加工方面取得新进展。研究团队利用超快激光多光子效应，实现了无机光刻胶超衍射纳米光刻，获得了激光波长三十分之一的26 nm特征尺寸、具有优异耐高温和耐溶剂性能的3D无机微结构与器件，为发展新型3D无机纳米结构和器件提供了新方法。

应用研究类（10项）

1. 实现高维量子计算芯片

北京大学王剑威团队与合作者实现了一款基于大规模硅基集成光量子芯片的可编程高维量子处理器，实现了高维单量子位和双量子位的初始化、操作和测量，提供了一种自上而下、从算法到量子门操作、从顶层需求到底层物理实现的高维量子计算架构，通过编程重构该处理器超过百万次以上，实现了一系列高保真量子逻辑门操作，执行了多种重要的高维量子傅立叶变换类算法，实现了高维量子计算的原理性验证。

2.超表面实时超光谱成像芯片

清华大学崔开宇等人研制成功的国际首次实时超光谱成像芯片，可一次获取空间15万个像素点的超光谱信息，利用这一芯片成功获取了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物特征光谱的动态变化。这一成果相比已有片上光谱检测技术实现了从单点微型光谱仪到实时超光谱成像芯片的跨越，可为成像技术开创物质解析新维度，具有高精度、芯片化、可量产的优势，有望成为下一代成像芯片的颠覆性技术，相关成果已进行应用推广和产业化。

3.计算超分辨图像重建通用算法，稳定提升荧光显微镜两倍分辨率

北京大学陈良怡与哈尔滨工业大学李浩宇团队合作，通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”通用先验知识，发明稀疏解卷积算法，突破现有显微系统光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的结构光系统，实现目前活细胞成像中最高空间分辨率（60 nm）下，速度最快（564 Hz）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨成像。

4.高功率全光纤绿光激光器迈向实用化

厦门大学罗正钱团队与华为公司合作，提出掺镨双包层光纤下转换直接产生绿光激光，发展可见光光纤端面介质膜技术构建全光纤绿光谐振腔，获得521 nm输出功率3.6 W绿光激光，实现小型化全光纤高功率绿光激光的突破。

5.新型成像技术：或成活体大脑无创成像有力工具

香港科技大学瞿佳男团队研究了一种新型的活体自适应光学三光子显微成像(AO-3PM)系统，该系统结合了自适应光学和三光子成像技术，能够穿过活体小鼠完整的头骨，在大脑深处进行高分辨率、大视场的成像。这项技术极大地提高了非侵入式活体成像的图像质量，为研究大脑结构和功能提供了有力工具。

6.新型激光雷达探索云与气溶胶相互作用

浙江大学刘东团队及合作者为此提供了一个全新而有效的解决方案——研制了双视场高光谱分辨率激光雷达，通过超精细光谱鉴频分离了瑞利散射与米散射，利用准单次散射近似极大地简化了多次散射效应的表征，并通过巧妙设计反演参数对视场角的差异敏感性获得了高精度反演，最终首次实现了水云与气溶胶光学及微物理特性剖面的全天时高精度同步探测，可更深入地研究和理解云与气溶胶相互作用现象的本质。

7.多级衍射光片成像技术实现活细胞3D动态超分辨观测

华中科技大学费鹏、张玉慧团队合作提出多级衍射调控光片显微技术和类脑式分层感知AI超分辨算法，将活细胞三维超分辨成像空间分辨率推至各向同性100纳米的同时实现17 Hz每体积的高时间分辨率，首次观测到多种细胞器在4D时空的精细相互作用，并定量揭示内质网、Drp1蛋白寡聚体介导线粒体分裂的调控模式。论文2022年3月发表于Nature Methods。

8.高性能、低成本胶体量子点短波红外成像芯片

华中科技大学高亮、唐江团队近四年围绕CQD红外探测芯片展开研究，针对CQD缺陷多、器件结构不兼容、集成工艺不成熟等瓶颈问题，采用液相钝化新策略、设计制备新型顶入射器件、开发硅基一体化集成工艺。联合华为公司研制出国内第一款CQD短波红外成像芯片，阵列规模为640×512，红外峰值外量子效率达63%，与同类CQD芯片比较，外量子效率国际领先。

9.拓扑腔面发射激光器

中国科学院物理研究所陆凌团队提出了一种全新的狄拉克涡旋拓扑腔，可以从原理上突破现有瓶颈，同时提高出射功率和光束质量。最近团队基于拓扑光腔，研制出了拓扑腔面发射激光器。在1550 nm同时实现了单个器件10 W峰值功率、小于1°的远场发散角、60 dB边模抑制比，和二维多波长阵列的集成能力。拓扑腔面发射激光器的发明是拓扑物理应用出口的一次探索，对于人脸识别、自动驾驶、激光雷达等新兴技术有重要意义。

10.实现具有高性能的超高分辨率QLED

福州大学李福山等人创新性地利用有序分子自组装技术实现了致密无缺陷的量子点单层膜，并结合转移印刷技术实现了亚微米级像素的超高分辨率量子点显示(~25000PPI)。首次提出在发光像素之间嵌入蜂窝状图案的非发光电荷阻挡层，有效降低了器件漏电流，极大地提高了器件效率。该成果为实现具有高性能的超高分辨率发光显示开辟了一条全新路线。

“中国光学十大进展”评选活动由中国激光杂志社发起，至今已成功举办17届，旨在促进中国优秀光学研究成果的广泛传播，推动中国光学事业的发展。凭借高学术水平的候选成果，以及严格公正的评审机制，这一奖项备受业界认可，具有高度的公信力和影响力。为扩大“中国光学十大进展”优秀成果的影响力，让科学家的成果与智慧为更多领域的人士所关注，2023中国光学十大进展高峰论坛暨颁奖典礼由中国激光杂志社主办，于2023年4月19-21日在杭州富阳举行。本次论坛邀请了当年获奖或有候选成果的作者及往年的获奖团队报告其最新研究成果，分享新思想与新进展，用科学的优秀成果更好地指引未来。