上帝說，“要有光”，于是就有了光！

在圣經(jīng)里，上帝造物之初，第一個(gè)創(chuàng)造的就是光，由此可見，光對于人類是多么的重要，人類無時(shí)無刻不在享受著陽光所贈(zèng)予的一切。而隨著光學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)如今，基于光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用已充斥社會的方方面面，成為人類生產(chǎn)、生活、軍事、科研等領(lǐng)域最重要的組成部分。

如果說20世紀(jì)是電的世紀(jì)，那么21世紀(jì)就是光的世紀(jì)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，光學(xué)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了微納領(lǐng)域，而用于微納光學(xué)技術(shù)的材料被稱為超構(gòu)材料，它在納米尺度下實(shí)現(xiàn)了對光的控制，為現(xiàn)代光學(xué)器件的研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步注入了新的血液。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院李濤教授，作為中國微納光學(xué)研究領(lǐng)域最具權(quán)威的學(xué)者之一，他就主要研究超構(gòu)光子學(xué)、拓?fù)涔庾訉W(xué)和微納光子集成，取得了一系列創(chuàng)新性的科研成果，極大推動(dòng)了我國超構(gòu)光子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

創(chuàng)新突破引領(lǐng)超構(gòu)成像技術(shù)

2024年5月18日，2023年度中國十大光學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)頒獎(jiǎng)典禮暨產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會在2024光電子信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會期間隆重舉辦。在這場專屬于光學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新的年度盛事中，由南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)與南智芯視（南京）科技有限公司開發(fā)的“芯片式大視場超構(gòu)顯微鏡”成功入圍，從100多項(xiàng)技術(shù)中脫穎而出，榮獲“2023年度中國十大光學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)”。

超構(gòu)材料研究要追溯到21世紀(jì)初，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，光子晶體、超構(gòu)材料、表面等離激元學(xué)等微納光子學(xué)蓬勃發(fā)展。其中超構(gòu)材料，它首先在電磁波與光學(xué)領(lǐng)域展示出諸多新奇效應(yīng)，并進(jìn)一步推廣到超常的力、熱、磁等其它物理特性領(lǐng)域，為新型功能材料提供了新思路和新技術(shù)。

據(jù)李濤介紹，超構(gòu)透鏡技術(shù)正是近十年來由超構(gòu)表面發(fā)展起來的，它通過一薄層具有納米結(jié)構(gòu)的平板對光場進(jìn)行任意操控，實(shí)現(xiàn)如透鏡聚焦、全息成像、偏振調(diào)控等功能，這種平面超薄特性和多自由度調(diào)控為新型成像技術(shù)帶來機(jī)遇?；诔瑯?gòu)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)展示出高集成度多功能的優(yōu)勢，不過在綜合性能方面還面臨著挑戰(zhàn)。

對此，李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)曾在Photonics Insights發(fā)表了一篇關(guān)于超構(gòu)成像技術(shù)發(fā)展的綜述文章——“Revolutionary meta－imaging： from superlens to metalens”（革命性的超構(gòu)成像：從超透鏡到超構(gòu)透鏡），并獲得2023年度主編推薦獎(jiǎng)。文章以歷史全景的角度展現(xiàn)從負(fù)折射、超透鏡到超構(gòu)透鏡研究的神奇歷程，對超構(gòu)成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)做了客觀闡述與細(xì)致分析，旨在為發(fā)展新一代成像技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。文章最后展望了超構(gòu)透鏡將在未來的成像設(shè)備和系統(tǒng)中具有顯著的優(yōu)勢和重要作用。

基于相關(guān)研究成果，李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)與南智芯視（南京）科技有限公司共同研究，開發(fā)了一款“芯片式大視場超構(gòu)顯微鏡”，他們基于超構(gòu)透鏡色散特性、超構(gòu)透鏡平面超薄特征以及再引入LED照明光源和液晶偏振器，構(gòu)建了一套高度集成的完整顯微鏡系統(tǒng)。

據(jù)了解，該技術(shù)基于先進(jìn)的超構(gòu)表面技術(shù)，充分利用了超構(gòu)表面設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢，基于偏振和相位的調(diào)控，設(shè)計(jì)了偏振復(fù)用子透鏡陣列，極大拓展了成像視野范圍，可以在保證微米級分辨率下視野拓展到4－6毫米，超出傳統(tǒng)顯微鏡一個(gè)數(shù)量級。其次，該技術(shù)中的超構(gòu)透鏡陣列由于其色散特性，具有波長變焦的能力。因此，可以通過改變工作波長，獲得不同深度的大視野成像結(jié)果，達(dá)到大景深高分辨成像功能。

最后，該技術(shù)充分發(fā)揮了超構(gòu)表面超輕超薄的優(yōu)勢，通過將平板結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面和圖像傳感器集成，構(gòu)建高集成的成像芯片。進(jìn)一步，通過與液晶照明模塊、樣品架等集成，構(gòu)建出體積僅厘米立方量級的芯片式超構(gòu)顯微鏡。

李濤表示，這款芯片式超構(gòu)顯微鏡，以其高成像對比度、大視野和大景深的優(yōu)勢，在腫瘤組織癌變診斷方面，可以有效地提升病理診斷的效率。其中，高成像對比度可以省掉染色的過程，而大視野則可以快速的單次獲取組織病變區(qū)域的信息；在生物醫(yī)學(xué)研究方面，得益于該技術(shù)小巧、便攜，且具有較高分辨率的優(yōu)勢?？膳c細(xì)胞培養(yǎng)箱技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化細(xì)胞培養(yǎng)箱設(shè)計(jì)，可避免細(xì)胞培養(yǎng)過程中的復(fù)雜操作，保證細(xì)胞處于穩(wěn)定環(huán)境中生長。此外，該技術(shù)還有望推向戶外水質(zhì)監(jiān)測、居家自主血液檢測、教育等更豐富的應(yīng)用場景。

現(xiàn)在，超構(gòu)成像技術(shù)已經(jīng)展示出日益豐富而獨(dú)特的應(yīng)用場景，隨著新設(shè)計(jì)原理的不斷豐富、先進(jìn)制程的日益成熟、人工智能的持續(xù)引入，由超構(gòu)光子學(xué)帶來的成像技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的變革已經(jīng)拉開了序幕。李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)的“芯片式大視場超構(gòu)顯微鏡”，立足超構(gòu)透鏡生產(chǎn)制備工藝，通過超構(gòu)表面器件與成像技術(shù)不斷革新技術(shù)產(chǎn)品、面向全球，提供高通量、體積小、便攜式超構(gòu)表面成像與檢測產(chǎn)品，未來將重塑人們的生產(chǎn)和生活方式，為人類帶來更多豐富多元的成像體驗(yàn)。

面向前沿實(shí)現(xiàn)光子拓?fù)鋺B(tài)調(diào)控

近年來，隨著5G、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)等發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代。相較之于發(fā)展成熟的集成電路體系，片上光子器件已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但是大規(guī)模、芯片化集成仍然面臨著諸多困境。一般來說，片上光信息的傳遞往往需要通過波導(dǎo)表面的倐逝波耦合來實(shí)現(xiàn)，因此對結(jié)構(gòu)極其敏感。而現(xiàn)有的片上波導(dǎo)工藝誤差嚴(yán)重影響光子集成器件的性能。為解決這一問題，研究人員做了諸多嘗試與努力。在這一背景下，拓?fù)涔庾訉W(xué)作為一項(xiàng)有趣而富有潛力的方式，進(jìn)入了人們的視野。

據(jù)李濤教授介紹，基于波導(dǎo)的拓?fù)涔鈱W(xué)模式具有寬帶性和魯棒性優(yōu)勢，非常適合片上光子集成，而如何高效激發(fā)這些模式仍面臨巨大挑戰(zhàn)。利用超對稱變換策略可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)陣列中拓?fù)淞隳５耐昝兰ぐl(fā)，展示了寬帶性、魯棒性的特征，對光子集成和光子前沿研究具有重要意義。

近期，李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)張霜教授團(tuán)隊(duì)合作，在集成拓?fù)洳▽?dǎo)陣列的光場調(diào)控方面取得重要進(jìn)展，他們揭示了量子度規(guī)與絕熱性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了一種通過長程耦合來調(diào)節(jié)量子度規(guī)的新方法，并通過雙層硅波導(dǎo)陣列中成功演示了快速拓?fù)浔闷中?yīng)。

據(jù)了解，在研究拓?fù)涔庾蛹善骷r(shí)，器件的魯棒性和集成度之間存在一種相互制約的關(guān)系，這種制約關(guān)系往往依賴于滿足絕熱條件的參數(shù)緩慢變化。絕熱條件在拓?fù)浔闷诌^程中扮演著關(guān)鍵角色，它通常需要較大的系統(tǒng)演化尺寸，限制了拓?fù)涔鈱W(xué)器件的集成度與小型化。

針對該問題，李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層集成硅波導(dǎo)晶格結(jié)構(gòu)引入波導(dǎo)之間的次近鄰耦合，并提出用量子度規(guī)作為評估復(fù)雜耦合體系物理量演化過程絕熱性的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)拓?fù)浔闷譃榱藵M足絕熱條件需要較大的尺寸。此方案引入次近鄰耦合后，使系統(tǒng)在較小尺寸下也能維持絕熱性，完成拓?fù)浔闷诌^程。

李濤教授表示，這項(xiàng)研究提出了一個(gè)基于集成光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)平臺，可通過拓?fù)浔闷诌^程探究量子度規(guī)的物理特性，對于深入理解量子度規(guī)的物理本質(zhì)及其潛在應(yīng)用具有重要價(jià)值。隨后，他們還在單層的鈮酸鋰波導(dǎo)體系中，通過參數(shù)空間路徑優(yōu)化的方式尋找到拓?fù)浔闷盅莼慕^熱“下確界”，同樣實(shí)現(xiàn)了片上集成的光子拓?fù)浔闷值募铀?。與此相關(guān)的研究很好展示了前沿的光子學(xué)原理在新型光子集成技術(shù)開發(fā)中的指導(dǎo)意義。

光學(xué)是一門古老而又活躍的前沿科學(xué)，它是人類文明延續(xù)的永恒動(dòng)力。未來的科研之路依舊漫長且坎坷，李濤及其團(tuán)隊(duì)作為勇敢的追光者，他們將不懼困難，勇于挑戰(zhàn)，堅(jiān)持不懈，砥礪前行。他們將不斷探索超構(gòu)光子前沿，以創(chuàng)新技術(shù)照耀未來，照亮前進(jìn)的道路，推動(dòng)光學(xué)前沿技術(shù)發(fā)展的新變革。（文／陳偉）