上帝說，“要有光”，于是就有了光！
在圣經里，上帝造物之初，第一個創造的就是光，由此可見，光對于人類是多么的重要，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，基于光學技術的應用已充斥社會的方方面面，成為人類生產、生活、軍事、科研等領域最重要的組成部分。
如果說20世紀是電的世紀，那么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，而用于微納光學技術的材料被稱為超構材料，它在納米尺度下實現了對光的控制，為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應用科學學院李濤教授，作為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，取得了一系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業技術頒獎典禮暨產業創新大會在2024光電子信息產業創新發展大會期間隆重舉辦。在這場專屬于光學技術與創新的年度盛事中，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100多項技術中脫穎而出，榮獲“2023年度中國十大光學產業技術”。
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、超構材料、表面等離激元學等微納光子學蓬勃發展。其中超構材料，它首先在電磁波與光學領域展示出諸多新奇效應，并進一步推廣到超常的力、熱、磁等其它物理特性領域，為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面發展起來的，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，這種平面超薄特性和多自由度調控為新型成像技術帶來機遇。基于超構透鏡的光學系統已經展示出高集成度多功能的優勢，不過在綜合性能方面還面臨著挑戰。
對此，李濤教授、祝世寧院士團隊曾在Photonics Insights發表了一篇關于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：從超透鏡到超構透鏡），并獲得2023年度主編推薦獎。文章以歷史全景的角度展現從負折射、超透鏡到超構透鏡研究的神奇歷程，對超構成像技術的優缺點做了客觀闡述與細致分析，旨在為發展新一代成像技術與產業應用提供指導。文章最后展望了超構透鏡將在未來的成像設備和系統中具有顯著的優勢和重要作用。
基于相關研究成果，李濤教授、祝世寧院士團隊與南智芯視（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”，他們基于超構透鏡色散特性、超構透鏡平面超薄特征以及再引入LED照明光源和液晶偏振器，構建了一套高度集成的完整顯微鏡系統。
據了解，該技術基于先進的超構表面技術，充分利用了超構表面設計靈活的優勢，基于偏振和相位的調控，設計了偏振復用子透鏡陣列，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，超出傳統顯微鏡一個數量級。其次，該技術中的超構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果，達到大景深高分辨成像功能。
最后，該技術充分發揮了超構表面超輕超薄的優勢，通過將平板結構的超構表面和圖像傳感器集成，構建高集成的成像芯片。進一步，通過與液晶照明模塊、樣品架等集成，構建出體積僅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域的信息；在生物醫學研究方面，得益于該技術小巧、便攜，且具有較高分辨率的優勢。可與細胞培養箱技術結合，實現實時可視化細胞培養箱設計，可避免細胞培養過程中的復雜操作，保證細胞處于穩定環境中生長。此外，該技術還有望推向戶外水質監測、居家自主血液檢測、教育等更豐富的應用場景。
現在，超構成像技術已經展示出日益豐富而獨特的應用場景，隨著新設計原理的不斷豐富、先進制程的日益成熟、人工智能的持續引入，由超構光子學帶來的成像技術和產業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”，立足超構透鏡生產制備工藝，通過超構表面器件與成像技術不斷革新技術產品、面向全球，提供高通量、體積小、便攜式超構表面成像與檢測產品，未來將重塑人們的生產和生活方式，為人類帶來更多豐富多元的成像體驗。
面向前沿實現光子拓撲態調控
近年來，隨著5G、云計算、互聯網、信息技術等發展，人類已經進入了信息時代。相較之于發展成熟的集成電路體系，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表面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，拓撲光子學作為一項有趣而富有潛力的方式，進入了人們的視野。
據李濤教授介紹，基于波導的拓撲光學模式具有寬帶性和魯棒性優勢，非常適合片上光子集成，而如何高效激發這些模式仍面臨巨大挑戰。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。
近期，李濤教授、祝世寧院士團隊與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面取得重要進展，他們揭示了量子度規與絕熱性之間的內在關聯，提出了一種通過長程耦合來調節量子度規的新方法，并通過雙層硅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制約的關系，這種制約關系往往依賴于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鍵角色，它通常需要較大的系統演化尺寸，限制了拓撲光學器件的集成度與小型化。
針對該問題，李濤教授、祝世寧院士團隊與合作者設計了一個雙層集成硅波導晶格結構引入波導之間的次近鄰耦合，并提出用量子度規作為評估復雜耦合體系物理量演化過程絕熱性的標準。傳統拓撲泵浦為了滿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基于集成光波導的實驗平臺，可通過拓撲泵浦過程探究量子度規的物理特性，對于深入理解量子度規的物理本質及其潛在應用具有重要價值。隨后，他們還在單層的鈮酸鋰波導體系中，通過參數空間路徑優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。與此相關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。
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，李濤及其團隊作為勇敢的追光者，他們將不懼困難，勇于挑戰，堅持不懈，砥礪前行。他們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）
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