上帝說，“要有光”，於(yu) 是就有了光！

在聖經裏，上帝造物之初，第一個(ge) 創造的就是光，由此可見，光對於(yu) 人類是多麽(me) 的重要，人類無時無刻不在享受著陽光所贈予的一切。而隨著光學技術不斷發展進步，現如今，基於(yu) 光學技術的應用已充斥社會(hui) 的方方麵麵，成為(wei) 人類生產(chan) 、生活、軍(jun) 事、科研等領域最重要的組成部分。

如果說20世紀是電的世紀，那麽(me) 21世紀就是光的世紀。隨著現代科技的發展，光學技術已經進入了微納領域，而用於(yu) 微納光學技術的材料被稱為(wei) 超構材料，它在納米尺度下實現了對光的控製，為(wei) 現代光學器件的研發和技術進步注入了新的血液。

南京大學現代工程與(yu) 應用科學學院李濤教授，作為(wei) 中國微納光學研究領域最具權威的學者之一，他就主要研究超構光子學、拓撲光子學和微納光子集成，取得了一係列創新性的科研成果，極大推動了我國超構光子技術的發展和進步。

創新突破引領超構成像技術

2024年5月18日，2023年度中國十大光學產(chan) 業(ye) 技術頒獎典禮暨產(chan) 業(ye) 創新大會(hui) 在2024光電子信息產(chan) 業(ye) 創新發展大會(hui) 期間隆重舉(ju) 辦。在這場專(zhuan) 屬於(yu) 光學技術與(yu) 創新的年度盛事中，由南京大學李濤教授、祝世寧院士團隊與(yu) 南智芯視（南京）科技有限公司開發的“芯片式大視場超構顯微鏡”成功入圍，從(cong) 100多項技術中脫穎而出，榮獲“2023年度中國十大光學產(chan) 業(ye) 技術”。

超構材料研究要追溯到21世紀初，隨著微納加工技術的發展，光子晶體(ti) 、超構材料、表麵等離激元學等微納光子學蓬勃發展。其中超構材料，它首先在電磁波與(yu) 光學領域展示出諸多新奇效應，並進一步推廣到超常的力、熱、磁等其它物理特性領域，為(wei) 新型功能材料提供了新思路和新技術。

據李濤介紹，超構透鏡技術正是近十年來由超構表麵發展起來的，它通過一薄層具有納米結構的平板對光場進行任意操控，實現如透鏡聚焦、全息成像、偏振調控等功能，這種平麵超薄特性和多自由度調控為(wei) 新型成像技術帶來機遇。基於(yu) 超構透鏡的光學係統已經展示出高集成度多功能的優(you) 勢，不過在綜合性能方麵還麵臨(lin) 著挑戰。

對此，李濤教授、祝世寧院士團隊曾在Photonics Insights發表了一篇關(guan) 於(yu) 超構成像技術發展的綜述文章——“Revolutionary meta－imaging： from superlens to metalens”（革命性的超構成像：從(cong) 超透鏡到超構透鏡），並獲得2023年度主編推薦獎。文章以曆史全景的角度展現從(cong) 負折射、超透鏡到超構透鏡研究的神奇曆程，對超構成像技術的優(you) 缺點做了客觀闡述與(yu) 細致分析，旨在為(wei) 發展新一代成像技術與(yu) 產(chan) 業(ye) 應用提供指導。文章最後展望了超構透鏡將在未來的成像設備和係統中具有顯著的優(you) 勢和重要作用。

基於(yu) 相關(guan) 研究成果，李濤教授、祝世寧院士團隊與(yu) 南智芯視（南京）科技有限公司共同研究，開發了一款“芯片式大視場超構顯微鏡”，他們(men) 基於(yu) 超構透鏡色散特性、超構透鏡平麵超薄特征以及再引入LED照明光源和液晶偏振器，構建了一套高度集成的完整顯微鏡係統。

據了解，該技術基於(yu) 先進的超構表麵技術，充分利用了超構表麵設計靈活的優(you) 勢，基於(yu) 偏振和相位的調控，設計了偏振複用子透鏡陣列，極大拓展了成像視野範圍，可以在保證微米級分辨率下視野拓展到4－6毫米，超出傳(chuan) 統顯微鏡一個(ge) 數量級。其次，該技術中的超構透鏡陣列由於(yu) 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果，達到大景深高分辨成像功能。

最後，該技術充分發揮了超構表麵超輕超薄的優(you) 勢，通過將平板結構的超構表麵和圖像傳(chuan) 感器集成，構建高集成的成像芯片。進一步，通過與(yu) 液晶照明模塊、樣品架等集成，構建出體(ti) 積僅(jin) 厘米立方量級的芯片式超構顯微鏡。

李濤表示，這款芯片式超構顯微鏡，以其高成像對比度、大視野和大景深的優(you) 勢，在腫瘤組織癌變診斷方麵，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域的信息；在生物醫學研究方麵，得益於(yu) 該技術小巧、便攜，且具有較高分辨率的優(you) 勢。可與(yu) 細胞培養(yang) 箱技術結合，實現實時可視化細胞培養(yang) 箱設計，可避免細胞培養(yang) 過程中的複雜操作，保證細胞處於(yu) 穩定環境中生長。此外，該技術還有望推向戶外水質監測、居家自主血液檢測、教育等更豐(feng) 富的應用場景。

現在，超構成像技術已經展示出日益豐(feng) 富而獨特的應用場景，隨著新設計原理的不斷豐(feng) 富、先進製程的日益成熟、人工智能的持續引入，由超構光子學帶來的成像技術和產(chan) 業(ye) 的變革已經拉開了序幕。李濤教授、祝世寧院士團隊的“芯片式大視場超構顯微鏡”，立足超構透鏡生產(chan) 製備工藝，通過超構表麵器件與(yu) 成像技術不斷革新技術產(chan) 品、麵向全球，提供高通量、體(ti) 積小、便攜式超構表麵成像與(yu) 檢測產(chan) 品，未來將重塑人們(men) 的生產(chan) 和生活方式，為(wei) 人類帶來更多豐(feng) 富多元的成像體(ti) 驗。

麵向前沿實現光子拓撲態調控

近年來，隨著5G、雲(yun) 計算、互聯網、信息技術等發展，人類已經進入了信息時代。相較之於(yu) 發展成熟的集成電路體(ti) 係，片上光子器件已經有了長足的發展，但是大規模、芯片化集成仍然麵臨(lin) 著諸多困境。一般來說，片上光信息的傳(chuan) 遞往往需要通過波導表麵的倐逝波耦合來實現，因此對結構極其敏感。而現有的片上波導工藝誤差嚴(yan) 重影響光子集成器件的性能。為(wei) 解決(jue) 這一問題，研究人員做了諸多嚐試與(yu) 努力。在這一背景下，拓撲光子學作為(wei) 一項有趣而富有潛力的方式，進入了人們(men) 的視野。

據李濤教授介紹，基於(yu) 波導的拓撲光學模式具有寬帶性和魯棒性優(you) 勢，非常適合片上光子集成，而如何高效激發這些模式仍麵臨(lin) 巨大挑戰。利用超對稱變換策略可實現波導陣列中拓撲零模的完美激發，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(yi) 。

近期，李濤教授、祝世寧院士團隊與(yu) 香港大學張霜教授團隊合作，在集成拓撲波導陣列的光場調控方麵取得重要進展，他們(men) 揭示了量子度規與(yu) 絕熱性之間的內(nei) 在關(guan) 聯，提出了一種通過長程耦合來調節量子度規的新方法，並通過雙層矽波導陣列中成功演示了快速拓撲泵浦效應。

據了解，在研究拓撲光子集成器件時，器件的魯棒性和集成度之間存在一種相互製約的關(guan) 係，這種製約關(guan) 係往往依賴於(yu) 滿足絕熱條件的參數緩慢變化。絕熱條件在拓撲泵浦過程中扮演著關(guan) 鍵角色，它通常需要較大的係統演化尺寸，限製了拓撲光學器件的集成度與(yu) 小型化。

針對該問題，李濤教授、祝世寧院士團隊與(yu) 合作者設計了一個(ge) 雙層集成矽波導晶格結構引入波導之間的次近鄰耦合，並提出用量子度規作為(wei) 評估複雜耦合體(ti) 係物理量演化過程絕熱性的標準。傳(chuan) 統拓撲泵浦為(wei) 了滿足絕熱條件需要較大的尺寸。此方案引入次近鄰耦合後，使係統在較小尺寸下也能維持絕熱性，完成拓撲泵浦過程。

李濤教授表示，這項研究提出了一個(ge) 基於(yu) 集成光波導的實驗平台，可通過拓撲泵浦過程探究量子度規的物理特性，對於(yu) 深入理解量子度規的物理本質及其潛在應用具有重要價(jia) 值。隨後，他們(men) 還在單層的铌酸鋰波導體(ti) 係中，通過參數空間路徑優(you) 化的方式尋找到拓撲泵浦演化的絕熱“下確界”，同樣實現了片上集成的光子拓撲泵浦的加速。與(yu) 此相關(guan) 的研究很好展示了前沿的光子學原理在新型光子集成技術開發中的指導意義(yi) 。

光學是一門古老而又活躍的前沿科學，它是人類文明延續的永恒動力。未來的科研之路依舊漫長且坎坷，李濤及其團隊作為(wei) 勇敢的追光者，他們(men) 將不懼困難，勇於(yu) 挑戰，堅持不懈，砥礪前行。他們(men) 將不斷探索超構光子前沿，以創新技術照耀未來，照亮前進的道路，推動光學前沿技術發展的新變革。（文／陳偉(wei) ）