2022年6月27日14:26:04 发表评论

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近日

2021中国光学十大进展评选结果公布

华中科技大学武汉光电国家研究中心

3项成果上榜

其中1项入选基础研究类

2项入选应用研究类

中国光学十大进展

“中国光学十大进展”由中国激光杂志社自2005年发起，始终关注中国最前沿的光学研究成果和科研进展，至今已成功举办17届，已评选出的394项具有重大科学价值的光学成果。本次中国光学十大进展共评选出10项基础研究类和10项应用研究类进展，此外，还有19项成果分别荣获基础研究和应用研究十大进展提名奖。

该评选活动采取函评和终评两种方式，由来自清华大学、北京大学、中国科学技术大学、中科院物理所等44家科研院所，79名院士和知名专家组成的推荐委员会、终评委员会，经过多轮严格审核，最终评选得出。

双折射晶体中发现“幽灵”双曲极化激元

入选基础研究类

张新亮、李培宁教授课题组领导的国际研究团队，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合作，理论提出并实验证明了传统的双折射晶体中存在一种处于中红外波段的“面-体”复合型双曲极化激元电磁波，拓展了极化激元基础物理定义，对凝聚态物理、光物理、电磁学等领域的基础研究具有重要指导意义。

极化激元（polaritons）是由光和物质强耦合作用产生的一种“半光-半物质”准粒子，能够突破衍射极限将光场压缩聚焦到很小的尺度，缩小光学器件的物理体积，实现奇异的微纳光学现象和重要应用。

极化激元不仅是当今凝聚态物理、光物理、材料科学等多学科交叉的前沿科学领域，同时也是我国的传统优势研究方向之一。早在1951年，我国著名半导体物理学家黄昆先生就提出声子极化激元的经典理论，开辟了这一重要研究方向。目前，这些不同种类的极化激元一般被归纳为两类传播模式：沿着材料界面传播的表面模式和在材料内部传播的体模式。

团队的研究成果突破了固有认识，证明了在各向异性的晶体方解石中，存在第三种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元模式，由传统的表面模式和体模式极化激元复合而成，既束缚在界面上传播，同时又在晶体内表现出倾斜的波前传输。

三种极化激元模式的特征电磁场模式分布的比较

（上）“幽灵”极化激元模式、（中）表面模式、（下）体模式

这种新型极化激元模式的证明和发现也表明，在麦克斯韦方程组建立近150年后，在传统晶体的单界面这一最简单体系中仍然存在着新的基础光物理。

借助纳米成像技术，研究者证明了这种独特电磁波的存在，表现出在平面内高度各向异性，在圆形金属天线的右侧观测到了射线形式的传播，且低损耗传输长达20微米。

近场成像实验证明“幽灵”极化激元的各向异性传播特性

（左）实验示意图、（中）测量的“幽灵”极化激元高分辨近场图像、（右）波矢空间分布图

研究工作拓展了极化激元基础物理的“教科书”定义，预测了通过双折射晶体光轴的朝向来调节极化激元的可行性，对实现奇异的微纳光学现象具有极大的应用潜力。
相关研究成果以“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”为题，于2021年8月18日在线发表于Nature。

基于形态学分级结构设计的辐射降温光学超材料织物

入选应用研究类

陶光明教授团队与浙江大学马耀光团队等多家科研和产业单位基于形态学分级结构(Hierarchical-morphology)，设计研发出了一种无源降温光学超材料织物(Metafabric)，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。

由于包括人体在内的常温地表物体的中红外辐射光谱，与8-13μm的大气透明窗口基本重叠，这使得利用外太空环境进行降温成为了可能。超材料织物正是基于辐射制冷的原理，通过形态分级的设计理念，使面向天空的地表物体可以通过大气透明窗口向宇宙辐射热量，将温度接近绝对零度的外太空作为一个“天然冷库”，从而实现零能耗降温。

同时，超材料织物如同一个为太阳光精心设计的“迷宫”，光线散射拐弯后绝大部分都被反射出去，从而避免显著的升温。因此，在户外暴晒环境下，超材料织物就像一个空调，保持着物体与宇宙畅通的热交换通道，又像一面镜子，阻挡太阳辐射输入。基于上述设计，超材料织物实现了92.4%的太阳辐射反射率和94.5%的中红外发射率，且可为人体降温近5°C，为汽车模型内部降温近30 °C。

无源降温光学超材料织物示意图

无源降温光学超材料织物照片

研究成果以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”为题，于2021年7月8日在线发表在Science上。

线照明调制显微术实现高清成像

入选应用研究类

该技术由骆清铭团队发明。生物组织的精细结构复杂多样，如何在三维空间用光学方法对其进行全面准确观测是公认的技术难题。特别是荧光标记的神经元，胞体直径约为10-30 μm，从其伸展出去投射到全脑不同脑区的轴突直径只有0.2-0.5 μm，它们在亮度上相差2-3个数量级，空间分布却是常常交织在一起。当在周边胞体的干扰下探测轴突上的微弱荧光信号，就如同在明亮的太阳周边观察小星星。对此类情况，传统的光学层析方法难以实现。

骆清铭团队提出了一种全新的光学层析显微成像新原理——线照明调制（Line-illumination modulation, LiMo）显微术，巧妙地将线照明光强的高斯分布作为一种天然的调制，采用多线探测的方式可以一次性记录下样本被不同强度照明调制的信号，并且只需要一步线性计算即可去除相同的焦外背景信号，获得清晰的焦面光学层析图像。该方法首次实现了高分辨率、高通量、高鲁棒性、高背景抑制能力、高灵敏度的同时兼顾，突破了现有原理的光学层析能力极限，填补了相关领域的技术空白。不论是光路还是算法，LiMo都充分体现了大道至简的智慧。

LiMo显微术成像原理示意

基于此，团队进一步发展了高清荧光显微光学切片断层成像（High-definition fluorescent micro-optical sectioning tomography, HD-fMOST）新技术，将全脑光学成像从高分辨率提升到高清晰度的新标准，是目前相似体素分辨率下速度最快的全脑光学成像技术。高清的成像质量从数据源头为数据存储、传输、处理和分析等方面都带来了显著的效率提升，为破解全脑光学成像技术在推广应用中的大数据瓶颈问题提供了全新的解决思路。该技术的实现，将有望在标准化、规模化的脑科学研究中发挥巨大作用，为绘制单细胞分辨的介观脑图谱贡献一份力量。