进展！超表面：结构光束坐标变换与复合全息显示方案

介绍：德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心科学家在激光等离子体加速方面取得重大进展。他们采用一种创新方法，成功将质子能量从约80兆电子伏特提高到150兆电子伏特。这一成果大幅超越了此前的质子加速纪录，让小型激光设备首次获得迄今仅在更大型设施中才能获得的能量水平。最新研究有望促进医学和材料科学的发展。相关论文发表于5月13日出版的《自然-物理学》杂志。与传统加速器相比，激光等离子体加速器并不依赖强大的无线电波推动粒子运动，而是利用激光加速粒子。但这项技术目前处于研究阶段，全球仅有几个超大型激光系统能够实现将质子加速到100兆电子伏特的能量水平。

研究负责人蒂姆·齐格勒表示，为了使用更小激光设备以及更短脉冲实现类似高加速器能量，他们利用了激光闪光这一特性，即一小部分激光就像“抢跑”一样，在特制的塑料箔内触发一系列复杂的加速机制。这极大地提升了名为DRACO的激光器的质子加速能量。

研究结果显示，DRACO激光器此前的质子加速能量纪录约为80兆电子伏特，现在能达到150兆电子伏特，几乎是原来的两倍。而且，加速的粒子束展现出高能且匀速运动的卓越特性。研究团队认为，这一突破有望使小型激光等离子体加速器在医学领域发挥重要作用，特别是在精准肿瘤治疗方案方面。目前医生们主要依赖大型治疗加速器开展此类研究。现有的大型加速器耗电量巨大，而激光等离子体加速器可能更经济。激光闪光也可用来产生短而强的中子脉冲，这对科技发展以及材料分析都具有重要意义。

齐格勒表示，他们希望与其他实验室合作，更精确地控制加速，未来能够实现超过200兆电子伏特的质子加速能量。

介绍：依托中国科学技术大学组建的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

在量子隐形传态方面，中国科大潘建伟团队一直处于国际领先水平，先后实现了多终端 [Nature 430, 54 (2004)]、多体 [Nature Physics 2, 678 (2006)]以及多自由度 [Nature 516, 518 (2015)]的量子隐形传态，为实现量子信息在量子网络中的传输途径奠定了技术基础。在量子存储与量子中继方面，研究团队长期开展了相关研究。团队在国际上率先实现了具有存储功能的稳定量子中继节点 [Nature 454, 1098 (2008)]；为提升存储寿命、读出效率、纠缠制备概率等关键指标，团队发展了三维光晶格冷原子量子存储、环形腔增强光与原子相互作用、里德堡阻塞抑制高阶激发等多项关键技术，不仅实现了综合性能最优的冷原子量子存储器 [Nature Photonics 10, 381 (2016)]，还实现了确定性的光与原子纠缠制备 [Phys. Rev. Lett. 128, 060502 (2022)]。

在此基础上，研究团队近年来在量子存储网络方向取得多项重要进展。2019年，团队通过三光子干涉，实现了实验室内三个冷原子量子存储器间的纠缠，成为首个可拓展距离的量子网络原型 [Nature Photonics 13, 210 (2019)]。2020年，团队利用量子频率转换技术将量子存储的出射光子波长由795纳米转换至1342纳米，并结合单光子锁相技术，成功实现了在实验室内经由50公里光纤连接的双节点纠缠 [Nature 578, 240 (2020)]。

为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。基于单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率方面有重大优势，然而实验难度非常高。纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动都会导致最终生成纠缠的退相干。为解决这一难题，团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。采用以上相位控制技术，并利用量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。

实验节点布局示意图

其中Alice节点位于中国科大东区

Bob节点位于合肥创新产业园

Charlie节点位于安徽光机所

介绍：中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、樊逢佳教授等人与河南大学申怀彬教授、多伦多大学Edward H. Sargent教授合作，在量子点发光二极管（QD-LED）领域取得重要进展。该研究团队利用混合相 CdZnSeS 量子点中的偶极-偶极相互作用使量子点有效排列，增强了发光二极管中的光子外耦合。量子点发光二极管由于其色域覆盖广、溶液加工成本低和低电压下亮度和效率高的优势而在显示应用中非常有吸引力，是下一代显示技术的有力竞争者。LED的效率是一个至关重要的性能指标，而量子点LED的外量子效率受较低的外耦合效率所限制：通常，只有不到30%的光子耦合到空气中，其余的光子被困在器件内部。调控量子点中跃迁偶极矩取向以增加垂直于器件衬底的光子发射提供了提高外耦合效率的途径，这需要将发光具有方向性的量子点排列起来。这已经在各向异性量子点中得到了证明，如纳米片，纳米棒和具有暴露平面的量子点，其中范德华相互作用被认为是主要驱动力。然而，采用这种各向异性量子点的LED的辐射复合效率较低，因此光子外耦合的增加被内量子效率的损失所抵消。需要找到一种可行的偶极取向策略，在平面量子点LED中实现外耦合效率的提升。

在本项研究中，研究人员开发出一种新型的多型晶体结构的量子点，使用纤锌矿CdZnSe核作为结构模板来外延生长纤锌矿 ZnS壳层，得到了纤锌矿与闪锌矿ZnS共存的多型晶体结构量子点。强离子性的纤锌矿ZnS提供了排列量子点所需的大电偶极矩；闪锌矿部分影响电子结构，从而促进每个量子点的取向发光，两方面结合实现了跃迁偶极矩取向的调控。研究人员使用背焦面成像等手段确认了此量子点材料的跃迁偶极矩取向，具有79 %的面内偶极矩占比。使用该量子点制备的量子点LED表现出超高的效率和稳定性（外量子效率35.6%，1000 cd m-2亮度下T95寿命:40，900小时）。

该研究首次借助偶极-偶极相互作用排列量子点这一策略，在不影响内量子效率的情况下提高了外耦合效率，实现了量子点LED的效率提升，提高了量子点LED的技术优势及竞争力。同时，通过选择合适的材料，这一策略有望拓展到蓝色和绿色量子点LED以及LED以外的其他量子点应用中。

介绍：近日，北京理工大学黄玲玲教授团队提出了一种基于超表面的结构光束坐标变换与复合全息显示方案，利用复振幅调制的超表面实现了近场、远场空间，结构光束、全息光场多维光学属性的复合呈现。

结构光束具有丰富的空间模式，被广泛应用于激光加工、光场整形等领域。此外，依赖算法优化和计算机辅助设计，全息能够实现任意复杂的光场形态。然而，全息光场通常仅能在特定平面呈现预定设计图案。因此，如何将结构光束的空间传输轨迹灵活性与全息光学的自由形态图案优化相结合，成为一个备受关注和发展的方向。为了实现结构光束与光学全息灵活设计的结合，黄玲玲教授团队创新性提出坐标仿射变换的结构光束设计与全息复用，通过超表面复振幅调制和相位调制相结合，实现了复合光场多维度光学属性的综合呈现。针对结构光束，采用Alias坐标变换方法，将传统形式厄密特-拉盖尔高斯光束转换为任意形状的变换结构光束，并且保持结构光束的特征模式分布。运用雅可比矩阵为新旧坐标系特征之间建立转换关联，实现光束模式转换的一一对应。该仿射变换为结构光束的表达引入了新维度，打破了传统厄密特-拉盖尔高斯模式的限制。通过在未调制区域设计全息图，能够在实空间和傅里叶空间中分别独立呈现变换结构光束和全息图，实现多类型光学信息、多维度空间特征的综合应用。

该超表面利用组合天线几何相位实现复振幅控制，并与纯相位调制相兼容，实现了简单明了的设计准则。像素级别的灵活控制能够实现纯相位特征、复振幅信息的精确调制。具有结构光束和光学全息术的复合光场不仅实现了波动方程的解析解和优化解的联合构造，而且实现了光在实空间和傅立叶空间中的传播。该独特的光学现象不仅扩展了传统结构光束的定义，而且可能为激光制造、光学操作、光学显示等应用打开新的大门。

链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2024.240037

介绍：在三维成像探测领域，主动式激光雷达被广泛应用于航空航天、自动驾驶、三维建模和环境监测等领域。然而，激光在传输介质中的散射与衰减效应导致常用的线性探测模式激光雷达在远距离、高效率应用中的探测能力受到限制，如何在复杂环境中保持高探测灵敏度、高探测精度和强抗干扰能力成为激光雷达技术发展中面临的一大挑战。

单光子探测器件具有光子级灵敏度、0/1输出和易于阵列化等特性，从根本上提高了对光信号的利用率并改变了数据处理方式，在激光探测方面展现出独特的优势，成为激光探测技术的研究热点。基于单光子探测器的激光雷达，通过时间相关单光子计数技术，显著地降低了成像系统对激光光源功率和大口径接收光学系统的依赖，并为微弱信号下高精度三维重建提供了全新解决方案，突破了传统激光雷达在探测距离、探测精度、探测效率和系统尺寸等方面的局限，成为新一代激光雷达技术的发展趋势。然而，噪声干扰、距离模糊等问题始终困扰着单光子激光雷达，使其难以兼顾探测距离、探测效率、成像质量和识别能力等指标。因此如何进一步提升单光子成像系统性能，推动其拓展更多的应用场景，已成为该领域的重要研究课题。

中国科学院微电子研究所朱精果研究员团队在《光电工程》激光雷达创新与应用专题上发表了题为“单光子激光雷达技术发展现状与趋势”的特邀综述文章，系统介绍了单光子激光雷达技术的基本原理、探测器件、成像算法和应用实例。文章以基于单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）的探测技术为代表，从单光子器件的特性出发，对现有单光子成像技术进行解读，梳理了单光子激光雷达的研究脉络，进而对该技术的共性问题和发展趋势进行了讨论。论文被选为该专题的封面文章。

由于单光子器件具备光子级灵敏度，其易受噪声干扰，因此如何从系统设计层面提高信噪比，成为单光子探测技术的重要研究内容。英国赫瑞瓦特大学Buller团队设计了一款采用时间相关单光子计数技术的超短脉冲单光子探测系统，随后实现了对330 m处目标的三维成像，展现了脉冲计数技术的可靠性。但由于脉冲累积方案存在距离模糊问题，因此中国科学院光电技术研究所刘博团队利用SPAD探测器作为真随机信号发生器，开发了一种基于真随机编码的单光子探测技术，解决了距离模糊问题。此后，中国科学院微电子研究所朱精果团队将混沌光源引入单光子成像领域，进一步提高了编码调制方案的信噪比。而为了抑制环境噪声，美国麻省理工学院Luu等人提出光外差啁啾调制单光子激光雷达，首次将调频连续波雷达设计方案引入到单光子成像领域。通过对不同原理方案的剖析和重要研究成果的梳理，文章从设计难度、测距精度、距离模糊和抗干扰能力等方面分析了不同技术的优势与不足。

链接：https://www.researching.cn/articles/OJbf405f53ffd4d524

介绍：近红外光电探测器在众多领域中的应用价值日益凸显，尤其在自动驾驶、食品安全、医学成像以及智能农业等领域中发挥着不可替代的作用。传统的近红外光电探测器主要由锗、砷化铟镓等无机半导体材料制成，这些材料的制造成本较高，且缺乏机械柔韧性和生物相容性，这在一定程度上限制了其应用范围。近年来，基于成本、柔韧性和生物相容性等方面具有明显优势的材料制备的探测器备受关注，例如基于溶液可加工的半导体，尤其是具有优异光电性能的钙钛矿材料。然而，卤化铅钙钛矿中含有有毒元素Pb，限制了其商业化的进程。因此，无铅钙钛矿材料的研究是未来发展的必然趋势。

无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6在制造无毒、可溶液处理的光电探测器方面显示出巨大的潜力。然而，由于带隙相对较大，Cs2AgBiBr6光电探测器的光谱响应仅限于波长短于560 nm的紫外和可见光区域。为了将其光谱响应范围拓宽至近红外区域，太原理工大学纳米光电子器件团队提出了一种创新方法：在自组装聚苯乙烯纳米球（PS）阵列的辅助下，制备氮化钛纳米颗粒（TiN NPs），并将其加入Cs2AgBiBr6光电探测器形成表面等离激元共振增强，成功实现了一种响应波段覆盖紫外、可见光和近红外的宽带Cs2AgBiBr6光电探测器。为了进一步提升探测器的性能，研究团队在Cs2AgBiBr6膜和TiN NPs之间引入了原子层厚的Al2O3层，有效抑制了纳米颗粒引起的暗电流上升问题，掺入TiN NPs的Cs2AgBiBr6光电探测器在钙钛矿不吸光波段的外量子效率也得到了显著增强，近红外波段增强因子高达2000。这一提升源于从TiN NPs注入Cs2AgBiBr6的表面等离激元热空穴。这项工作促进了宽带溶液可加工钙钛矿光电探测器的发展，为实现近红外波段的光电检测提供了一种具有广阔应用前景的策略。相关研究成果发表于Photonics Research 2024年第3期。

该团队通过PS纳米球自组装和反应离子刻蚀（RIE）方法制备了TiN纳米颗粒，如图所示。PS纳米球阵列的制备流程如下：首先，为了保证玻璃基板表面的亲水性，将2 cm×2 cm的玻璃基板在食人鱼溶液（4:1体积比，98% H2SO4／30% H2O2）中浸泡20分钟；其次，将亲水性玻璃基板放置在60 ℃的热台上，通过注射泵控制平均直径为100 nm的PS纳米球溶液的流速，使之滴在玻璃基板上形成单层、高度有序的紧密堆积阵列；然后，在紧密排列的PS纳米球层上进行刻蚀以减小纳米球的尺寸，并通过对氧气流速、蚀刻压力和蚀刻时间的精确控制，成功将纳米球直径减小至约70 nm，获得了稀疏分布的阵列结构，用于制备TiN NPs的掩模；接着，通过射频磁控溅射方法制备了厚度为40 nm的TiN层，由于掩模的阴影效应，TiN层在PS纳米球周围形成了独特的半椭球形状纳米颗粒；最后，利用甲苯溶液去除PS纳米球掩模，获得所需的TiN NPs，其三维（3D）AFM图像如图所示。

制备金属-半导体-金属结构的表面等离激元Cs2AgBiBr6钙钛矿光电探测器的流程如图1（f）-（h）所示。首先，通过原子层沉积（ALD）方法在已制备完成的TiN NPs上沉积1 nm的Al2O3超薄层；接着，将Cs2AgBiBr6薄膜旋涂在Al2O3界面层上；最后，将铜网作为掩模溅射厚度为80 nm的TiN电极，最终获得的两个电极之间的间隙长度为220 μm，宽度为20 μm。需要注意的是，测试过程中，光从玻璃一侧入射到器件上。