2020光学领域30项重大进展梳理

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　近日，《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News， OPN）回顾近一年来发表的最有趣的光学和光子学研究，本年度选择30个“有趣的故事”来反映光学和光子科学和工程领域的工作进展。《光电信息简报》对这30项进展进行了编译。

　　1、定制焦散技术（Customizing Causitics）

　　焦散技术（Causitics）——由曲面或物体反射或折射光线的包络技术，即光线强度聚焦的界面，出现在彩虹和通过酒杯水面折射的光线等背景中。在其美丽图像之下，焦散表现出强度奇点，可以分为复杂的类别。尽管焦散物质具有吸引人的传播特性，包括弯曲、加速和超聚焦光，但它们很少被人为地产生或用来作为结构光构建的基本实体。

　　图1.焦散结构嵌入到光束传播的横向不变概念图和实验测得的光束界面

　　一种特别有趣的横向结构光由所谓的传播不变或非衍射光束组成，它们在传播过程中具有固定的横向强度分布，并具有鲁棒和自修复的特征。这些光束彻底革新了用超快激光器加工纳米材料的工艺，包括高宽比的切割和沟道钻孔。它们的鲁棒传播可以减少光束畸变，最大限度地减少制造缺陷。在传播不变光束中，贝塞尔（Bessel）和艾利（Airy）光束是焦散的基本组成。焦散特征是横向平面中高强度集中的原因，使这些光束非常适合材料加工，它们的鲁棒和自修复性大大改善了光学薄片显微镜和三维陷阱等应用。

　　然而，未来有可能需要任意结构和用高强度梯度来控制传播不变光束的形状。不幸的是，大多数焦散光束并不是自然无衍射的。为了满足这一需要，科研人员最近开发了一种通用的方法来设计、定制和制造具有任意横向形状的结构焦散光。他们使用了一个智能光束设计，有利地结合了尖锐焦散边界的高强度特征和传播不变性。已经展示了各种传播不变的形状，如线形、抛物线形或类星形，但也有复杂的形状，如字母。这些强度结构在扰动下是鲁棒的，这可能使它们对安全的高维量子通信具有吸引力。该方法由一束自然光束产生出一组完整的定制的、结构传播不变的焦散光，强度集中在任何期望的边缘曲线周围。它满足了在波动物理所有领域，包括连续波或脉冲光、电子束、声波或弹性波等领域定制高强度分布的需要，并为具有复杂形状和可控能量沉积的先进高分辨率纳米加工工艺展示出很有前途的前景。

　　2、光分支流（Branch flow）

　　分支流（Branch flow）是一种普遍的波浪现象，在这种现象中，波浪形成强度增强的通道，随着它们的传播而不断分裂，从而形成一种类似于树枝的美丽图案。它发生在波以平滑、无序的势传播时，相关长度大于波长。

　　图2. 左上角：从肥皂膜反射的白光的真彩色干扰图。左下角：折射率分布成像的膜厚度重建。中心：观察到的平面波的分支光流。右：当窄光束入射到膜中时，观察到的分支光流，形成窄的、高强度的分支，在无序介质中保持长距离的聚焦。

　　在高散射介质中，支流基本上构成了通道传输和扩散传输之间的中间状态。首先观察到电子的情况，分支流动可以发生在几乎任何类型的波中。例如，它已在微波腔中观察到，并被提出作为海啸波的聚焦机制。最近，科研人员提出了分支光流的实验观察。该方案依赖于激光束在薄液体膜--肥皂膜内传播。膜作为二维（平板）波导，在实验的参数范围内，支持单一的波导模。膜的局部厚度变化导致有效折射率的显著变化。为了观察光分支流，科研人员操纵肥皂膜来构建光滑厚度变化的无序分布，形成无序的相关能量。从这些实验中，提取到了光分支流的统计性质。通过将平面波入射到无序膜中，证明了到第一分支的平均距离与测得的能量相关长度和强度计算的预测位置相匹配，遵守普遍规律。此外，通过使用窄束激励，科研人员观察到由于能量的相关性，分支强度的统计显示出重尾概率分布。最后，科研人员发现这些分支是高度无衍射的，在均匀介质中保持聚焦距离远大于相同宽度光束的衍射长度。

　　将分支流引入光学，为许多新的思想打开了大门，例如非线性介质中的分支流、弯曲空间中的分支流或有得失的系统中的分支流。肥皂膜的不稳定性质和高度强烈的分支带来了一种新的状态，即分支光流可能触发极端非线性现象或通过辐射压力和梯度力产生相互作用和影响无序状态。研究机构： l Technion–Israel Institute of Technology， Haifa， Israel l CREOL， The College of Optics and Photonics， University of Central Florida， USA

　　3、气体中的巨大布里渊放大