编辑荐读 | PhotoniX 2024年精选文章

作者：Jongchan Park & Liang Gao*

本研究的核心在于开发一种基于级联压缩感知的单像素相机系统，通过分级光学转换操作逐步压缩光场信息，实现了从高维到零维的高效采集。该系统首先在角度和空间域内执行光学积分，将二维图像转换为一维，再通过空间光调制器实现哈达玛模式编码，使得测量信息最终可被单像素探测器记录。实验结果表明，与传统的2D哈达玛压缩方法相比，级联压缩方法在超低采样率下的图像重建质量显著提升。系统在多波段超光谱成像及时间分辨成像中展现了良好性能，可在高维光学成像中实现灵活的采样率调控。

作者：Jitao Ji, Chen Chen*, Jiacheng Sun, Xin Ye, Zhizhang Wang, Jian Li, Junyi Wang, Wange Song, Chunyu Huang, Kai Qiu, Shining Zhu & Tao Li*

庞加莱光束具有空间变化的偏振、相位分布，携带多个可调控的自由度，在光学加密和编码领域展现出了巨大的应用潜力。本文针对超构表面加密中密钥空间、编码空间受限的问题，首先探究了单个手性超构表面生成多通道完美混合阶庞加莱光束的可行性，进一步通过级联两片超构表面验证了高维庞加莱光束的产生机制，同时有效调控了高维庞加莱光束的多个参数属性。最后基于阵列化的超构表面构建了高维庞加莱光束信息加密框架，为光学加密系统高性能、小型化、集成化的发展提供了一种极具前景的策略。

作者：Duy-Anh Nguyen, Dae Hee Kim, Geon Ho Lee, San Kim, Dong-Chel Shin, Jongkyoon Park, Hak-Jong Choi, Seung-Woo Kim, Seungchul Kim* & Young-Jin Kim*

本文介绍了一种用于实时监测气体动力学的新型的基于光频梳参考的等离子体相位光谱技术。该技术通过引入光学频率梳用以参照等离子体相位光谱，实时监测单分子分辨率下的快速气体动力学，旨在通过高分辨率和高速度检测，捕捉气体流动中的动态变化，尤其是实现对单个纳米孔内原子密度变化的精确检测。作者利用微流体气室控制气体流动，并通过气体压力的调制来模拟实际的气体动力学过程，以纳米孔阵列样品作为核心传感器，通过等离子体共振和热泳效应增强光子与气体的相互作用，同时利用光频梳保证实验中的光学稳定性，最终使用Mach–Zehnder干涉仪进行相位检测。实验结果表明，热泳效应能显著增强气体分子的局部捕获效果，这对提升检测灵敏度起到了关键的作用，通过实验进一步验证了热泳效应在提高相位检测灵敏度中的贡献。

作者：Tao Chen, Zhangqi Dang, Zeyu Deng, Shijie Ke, Zhenming Ding & Ziyang Zhang*

本文采用FPWE实验代替仿真的研究方法，归纳发现普通热光效应即可实现平方律介质，通过对多模干涉的特殊“梳理”，验证了波导成像功能。建立了TOWL体系，通过片上电极组合和加热功率的选取，能精确控制等效透镜的光轴、孔径、焦距等参数，完成对光路的切换。在已经是低成本的聚合物光波导平台，又以极简的方式，实现了1×24光开关单元及1×576光开关器件，其性能均优于已有报道。TOWL光开关在相同端口数下所需电极数更少，能有效降低驱动电路与集成封装的复杂度。

作者：Dewei Zhang, Chun-Ting Xu*, Quan-Ming Chen, Han Cao, Hong-Guan Yu, Qing-Gui Tan, Yan-qing Lu* & Wei Hu*

本文提出了一种频率合成相位工程方案。具体是将不同的空间相位编码到各个频率，通过合理设计相前频率矩阵，赋予平面透镜色差任意编辑和平面光学元件的波长功能自由设定。利用CLC自带滤波特性的相位编码能力验证了该方案。通过堆叠多个不同螺距和起始取向的CLC层，分别实现了CAC、CAE 以及彩色路由平面透镜，其具有尺寸大（直径1英寸）、厚度薄（< 10 μm）、效率高（圆偏振时达85.3%）和不同颜色间串扰低等优点。该设计方案释放了平面透镜的色散控制自由度，甚至实现了频率解耦的相位调制。其在透射、透反射模式扩展，主动模式切换，窄带选择及更为精细的频率设定，偏振鲁棒性，新功能设计与应用拓展方面尚有很多值得探索和改进的空间，这也为液晶平面光学元件的后续发展指引了方向。

作者：Daniel D. A. Clarke & Ortwin Hess*

为了跟进基于等离激元纳腔的室温量子技术研究进展，本文介绍了常温、常压条件下，利用纳米等离激元结构实现强耦合传感、超快单光子发射以及多量子比特纠缠的研究进展。文章首先介绍了一种新的量子等离激元免疫测定方法，该方法将生化传感技术与最新量子强耦合研究成果相结合，利用室温强耦合等离激元纳腔显著提高了测定灵敏度，达到了单分子检测极限，展示了等离激元-辐射子室温强耦合系统在超高灵敏检测方面的研究进展。其次，文章从理论上展示了一种实现单光子发射与硅量子点多体纠缠的有趣方案。该方案利用等离激元近场反射光场进行次衍射聚焦，极大地增强了光-物质相互作用，从而产生单光子发射，其速率可达10−100 fs⁻¹。重要的是，该结构的近场还能够被操控用于实现动态多粒子纠缠，从而构建了一个二量子比特逻辑门——可控量子非门，为量子计算及量子网络的研究提供了新的视角。

作者：Li Zhang, Haiyang Zhan, Xinyuan Liu, Hongjing Cao, Fei Xing* & Zheng You

本文研制了一款融合生物复眼结构与平面半导体工艺的复眼感知微系统。该系统将对采集信息的编码由探测器前移到光学系统上，设计了子眼间距被编码的平面复眼光学系统，其可以通过通用的MEMS加工工艺进行制作。不同视场区域下的目标经过不同区域的编码子眼调制，成像在同一块平面探测器上。微系统通过不同对子眼的视差来获取待测目标的3D位置信息，实现在毫米级基线下米级远距离目标的位置感知。该平面光学系统依靠长焦距子眼与探测器复用原理突破了传统双目视觉系统中相机视场与分辨率相互约束的难题。同时，复眼光学系统的子眼编码规则与子眼形状被优化设计，以实现更高的感知性能。该微系统体积小、视场范围大、测量距离远、具有较大的“测量距离-基线比”、算力需求低。为微小型具身智能机器人、无人机提供精确的3D感知测量方法与测量系统，在视觉定位、目标追踪、避障、编队等领域中具有广泛应用价值。

作者：Jaehyuck Jang, Seong-Won Moon, Joohoon Kim, Jungho Mun, Stefan A. Maier, Haoran Ren & Junsuk Rho*

本文提出了波长和轨道角动量多路复用全息术，利用光的多个维度（波长和轨道角动量）来提供多色平台，从而扩展全息存储设备的信息容量。所提出的波长-轨道角动量多路复用全息术是通过超表面物理实现的，超表面是一种由人工设计的纳米结构阵列组成的最先进的光学元件。超表面的组成部分氢化硅超原子通过定制偏振转换的色散而被设计为具有波长选择性。这些超原子用于编码根据我们的设计计算出的轨道角动量保留相位图。相位图的采样网格旋转45°，有效地抑制了高阶衍射，为实现大视场全息术提供了绝佳的策略。作者成功演示了六幅全息图像，这些图像在特定波长 (λ = 450, 635 nm) 和拓扑电荷 (l = -2, 0, 2) 的光照射下选择性重建，而不会发生高阶衍射。研究表明超薄超全息图可以实现具有大视场的超高带宽全彩全息术和全息视频显示。

作者：Wenwu Chen, Shijie Feng*, Wei Yin, Yixuan Li, Jiaming Qian, Qian Chen* & Chao Zuo*

本研究提出了一种新型三维成像方法——深度学习赋能的复用条纹投影轮廓术（DLMFPP）。首次实现了在保持空间分辨率的同时，超越相机帧率近一个数量级的高速三维成像。本方法在投影策略中采用了一系列不同倾斜角度的条纹图案。当投影仪的投影速度高于拍摄帧率时，相机可以在一帧图像曝光内捕获叠加了不同方向空间载波条纹的复合图案。DLMFPP通过嵌入了傅里叶变换和集成学习的深度神经网络架构自适应地集成空域、频域上的特征信息，实现了从复合图像到其原始序列的高保真解耦。进一步利用每个空间载波条纹记录不同时间点物体的三维信息，结合提出的增广条纹图案分析模块，本方法可实现超越相机帧率高达9倍的时间超分辨三维成像。通过对不同类型瞬态场景进行实验演示，验证了DLMFPP方法的有效性，展示了其使用工作频率约100 Hz的普通低速相机实现高速kHz三维成像的能力。

作者：Zhancheng Li, Wenwei Liu, Yuebian Zhang, Hua Cheng*, Shuang Zhang* & Shuqi Chen*

本文首先讨论了各向异性微结构的基本设计原理，阐明了如何通过微结构的有效设计实现对光波不同偏振分量的高自由度调控。之后，本文列举并系统讨论了一系列基于各向异性微结构实现光偏振态调控和偏振复用光场调控的代表性工作，展示了各向异性微结构在光偏振操控方面的出色性能和优势特点。在此基础上，本文回顾了基于各向异性微结构实现光波偏振态测量的代表性方法，体现了各向异性微结构在集成光偏振探测器件中的重要应用。本文进一步深入分析了少层和多原子微结构设计在偏振复用光场调控和多功能集成方面的突出优势。最后，本文分析了各向异性微结构光偏振操控领域未来发展所面临的挑战和机遇，给出了重点方向。