南京大学在新光学材料研究方面取得进展｜宇熠周报（2024.04.01-2024.04.07）

介绍：在探讨超级反射镜的意义之前，需要先了解传统的金属反射镜和近红外波长范围的反射率。传统金属反射镜在可见光波长范围内的反射率最高为99%，即每反射99个光子就会损失1个光子。而在近红外范围内的反射率为99.9997%，相比之下仅损失3个光子。然而，将反射镜的性能扩展到中红外波段一直是科学家们的挑战。目前市场上最好的中红外反射镜的反射率为99.99%，光子丢失率是近红外超反射镜的33倍。因此，开发具有更高反射率的中红外超级反射镜具有重要的科学意义和应用价值。

超级反射镜的问世将为许多行业带来广阔的应用前景。以下是一些可能的应用领域：

1.传感器技术：装备超级反射镜的传感器可以更精确地感知环境光学变化，例如光强、波长等参数。这对于自动驾驶、无人机、环境监测等领域具有重要的意义。2.精密加工：在制造业中，超级反射镜可用于激光切割和焊接等领域。高反射率将提高光束的聚焦度和能量利用率，带来更精密的加工效果。3.光学仪器：超级反射镜可以用于光学仪器中，如光谱仪、光学显微镜等。反射率的提高将有助于提高仪器的灵敏度和分辨率。

介绍：位于中央的金属介质靶心天线旨在促进量子发射的定向发射。天线的设计使光子能够直接耦合到光纤上，这对安全通信和先进的量子计算应用具有重要意义。

希伯来大学的研究人员成功地将单光子源集成到在室温下运行的小芯片中，从而在量子光子学领域取得了重大突破。这一发展为在量子计算和密码学中开发和利用可用的量子光子器件开辟了道路。

在他的博士研究期间，Boaz Lubotzky、Ronen Rapaport教授以及来自洛斯阿拉莫斯国家实验室和德国乌尔姆大学的团队领导了最近的一项研究，该研究揭示了在量子光子学中室温下将单光子源集成在芯片上迈出了重要一步。这一突破可能会在量子计算、密码学和传感等应用中取得重大进展。

根本性的创新是使用混合金属-介质靶心天线，提供非凡的光子方向性：这种新的“无滴”天线设计通过将发射器安装在天线中心的亚波长孔内，允许光子的高效反向激励，从而实现直接反激发和高效的前耦合发射到低数值孔径光学器件或光纤。

通过制造含有胶体量子点的器件或含有硅空位中心的纳米金刚石，该研究突出了这一想法的多功能性。这些发射器使用两种独立的纳米定位技术进行精确定位，前者在室温下比后者更有效。

值得注意的是，这两种类型的反激设备在0.5的较低数值孔径下显示出约70%的前部收集效率，因此发射的大部分光子可以被收集到预期的通道中或安全地直接发送到附近的光纤，例如，不需要任何额外的耦合光学器件，以有效的方式，并使未来的集成工作更容易和更高效。并有望转化为更实用的量子光子器件。

介绍：近日，南京大学物理学院赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队，利用新型超表面实现了全可见光波段的极端不对称光散射，进而实现了一种融合了高透明性与哑光特征的宏观光学材料，其可以在保持完美透明性的同时，展现出如粗糙物体表面一般的哑光外貌。这类新型光学材料在隐形、成像和显示等领域可能具有广泛的应用前景，有望切实改善人们日常生活中的视觉体验。

在传统光学中，一个历史悠久的难题是透明性与哑光外貌之间的矛盾。例如，透明玻璃是整个光学的材料基础，在现代社会中拥有广泛的应用。然而，其光滑表面也导致了镜面倒影和眩光污染等不良影响。另一方面，具有粗糙表面或无序组分的常见物体，如墙、木头、纸等，通常都具有哑光的外貌。漫散射消除了倒影和眩光，但是也导致其透明程度大幅下降。近年来，可独立调控透射与反射的超表面的发展，为解决这个经典光学难题提供了一个契机。

2021年，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队提出了一种无序翻转超构表面，成功地将漫反射与透射清晰成像的功能完美融合（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。然而，该超表面的漫反射能力是随频率变化的，只在690纳米附近接近完美，而在400-500纳米的区间几乎失效，即不能覆盖整个可见光频段。此外，该超表面的最小特征尺寸约为100纳米，因此难以加工出宏观尺寸的样品。这些缺点极大地限制了实际应用。

2024年，该团队在原有的工作基础上开拓创新，首次基于成熟的工业级步进式光刻技术，首次在玻璃表面加工了在全可见光频段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏观尺寸超表面（直径为10厘米）(Science Advances 10, eadm8061 (2024))。这种超表面被称为：透明哑光表面（transparent matte surfaces）。具有这种表面的透明材料在透射上具有极高的透明清晰程度，类似于透明玻璃；而在反射上则具有类似粗糙物体的哑光外貌。

介绍：4月5日，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组在Science（《科学》）上发表了题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究论文。该研究提出了基于“人体耦合”的能量交互机制，并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，由其编织制成的智能纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能，具有广泛应用前景。东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者，纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）王宏 志教授、侯成义研究员，以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成，合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。

随着科技不断发展，智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。目前，智能纤维的开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。

该研究中，东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺依曼架构”的新型智能纤维，有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构，优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。

链接：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oes.2024.230041

介绍：内窥镜是医学领域中重要的辅助诊断设备，它可以对人体内部的组织和器官进行深入、快速和低损伤的内窥成像。成像图片的信息容量、保真度以及探头对患者身体的侵入性等是内窥镜在临床应用中需要着重考虑的因素。为此，医用内窥镜天然地要求朝着更高的时空分辨率，更好的成像质量以及更小的探头尺寸等方向发展。在众多的内窥成像技术中，光纤内窥镜拥有一些独特的优势，比如结构灵活，抗电磁干扰以及易于高温灭菌等。目前，光纤束内窥镜和单模光纤扫描内窥镜已经在临床中被广泛采用，它们能够有效地对人体内相对较大的管状或腔体结构进行高分辨率的内窥成像。然而，当涉及到更加复杂的应用情景，例如对脑部深层区域进行成像，这两种光纤内窥镜都还面临着一些挑战。它们的探头尺寸相对较大，会对组织造成严重的机械损伤。

近年，基于波前整形技术的多模光纤扫描内窥镜因其具有显著减小内窥镜的探头尺寸并且增强成像性能的潜力而得到了广泛地发展。多模光纤扫描内窥镜可适用于复杂的生物医学应用场景，并且能够提供良好的成像对比度。它的扫描成像方式使得它能和许多成熟的显微成像模态相兼容，因而具有很强的通用性。在这个发展迅速的领域，有必要对迄今为止所取得的成果进行总结。

链接：http://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.230230

介绍：痕量气体是指体积分数远小于1%的气体。虽然其含量不高，但对多个领域都有巨大影响。例如，随着工业化和城市化的快速发展，大气污染成为全球面临的严重问题之一。大气中的氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、温室气体臭氧(O3)等，体积分数通常在10-12~10-6量级之间，其浓度的增加将直接导致生态环境改变。此外，痕量气体检测在工业生产、医疗诊断以及火灾预警等领域都有着十分重要的应用价值，发展新型气体传感技术将为人类创造更安全、更健康、更可持续的生活环境。

光致热弹光谱(Laser-Induced Thermoelastic Spectroscopy, 简称LITES)是一种近年来新兴的光谱式气体传感技术，于2018年由哈尔滨工业大学马欲飞团队首次提出。LITES的基本原理是将一束受调制的激光传输至气体吸收池中与气体样品作用，当激光波长与气体分子吸收谱线匹配时，部分激光能量被气体吸收，透射激光的能量因此产生周期性变化。石英音叉作为系统的探测元件，在吸收透射激光能量后受热膨胀产生周期性的机械形变，这种形变由于石英晶体的压电效应而被转化为携带气体浓度信息的电信号。LITES具有选择性强、灵敏度高、响应迅速等诸多优点，并且能提供非接触式测量。此外，基于石英音叉热弹效应的光探测器具有极大的响应带宽，克服了传统光电探测器响应光谱范围窄的缺点，使LITES可用于全波段光谱检测。

近年来，基于LITES的气体传感技术发展十分迅速，随着研究的深入，LITES已被证明是一种稳定且灵敏度高的气体传感技术。优化创新系统结构、提高检测灵敏度，是推动LITES技术进一步发展的必由之路！