《Light: Science & Applications》是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与英国自然出版集团(NPG)合作出版的全英文开放获取(OA)国际学术期刊。该刊于2012年3月29日创刊,2013年10月先后被国际著名检索系统SCI (Science Citation Index Expanded)及全球最大文摘引文数据库Scopus收录,该刊是NPG集团在中国出版的第一本OA物理类期刊,致力于推动全球范围内的光学研究,刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高水平的最新研究成果,包括小尺度光学、特种光学、光学材料及处理、光学元件制备、光学数据传输、光学测量、光学在生命科学及环境科学等领域的应用等方面的高质量、高影响力的原创性学术论文和综述文章。

主编:曹健林
执行主编:崔天宏     Stefan Kaierle
EISSN:2047-7538    ISSN:2095-5545    CN 22-1404/O4

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Monitoring progress of single light particle detectors for biophotonics applications

Claudio Bruschini, Harald Homulle, Ivan Michel Antolovic, Samuel Burri & Edoardo Charbon

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 87 (2019)

Published online 18 September 2019

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文章概要:单光粒子探测器用于生物光子学监测的进展综述

在过去的15年里,基于光粒子探测器、计数器和秒表三种功能合一的成像仪取得了重大发展,进一步扩大了成像仪在生物成像技术中的潜在应用。来自瑞士洛桑联邦理工学院的Claudio Bruschini等人回顾了单光子雪崩二极管(SPAD)阵列在生物光子学中的应用进展。他们发现,虽然大多数SPAD成像仪仍旧只能在特定的研究环境中使用,但其灵敏度,可靠性和重复性已经有了显著提升,还延伸出了一系列传感器架构。当一个光子击中SPAD时,会立即触发电流。例如,基于CMOS电子电路的SPAD阵列就可以同时测量标记在活细胞和组织上的多个分子的荧光寿命,从而有利于我们更好地观察它们。最后,本综述展望了单光粒子探测器这项奇妙技术的发展前景,并分析了其可能面临的最紧密相关的挑战。

Metasurfaces: Stacking up for impressive optics

Yueqiang Hu, Xuhao Luo, Yiqin Chen, Qing Liu, Xin Li, and et al

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 86 (2019)

Published online 18 September 2019

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文章概要:通过叠加超表面让你大开眼界

由垂直超表面堆叠而成的紧凑型光学器件可同时生成用于加密数据存储和彩色显示的微型文本和全色全息图像。超表面是一种超薄的亚波长合成材料,使研究人员能够在光照射超表面时操纵光。来自湖南大学的段辉高等人与德国海德堡大学的研究人员共同研制的超表面器件,可以同时生成全色全息图像和微印刷(微型字体,用于安全加密)他们的设计包括叠加的超表面-一个用于在白色光照射下生成彩色微印刷,另一个用于在RGB激光照射下投影全色全息图像。该设备与此前的设计相比,加密和存储数据的效率更高,串扰更低。

Artificial intelligence: 'Black boxes' shine light on optical materials

Jiajia Zhou, Bolong Huang, Zheng Yan & Jean-Claude G. Bünzli 

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 84 (2019)

Published online 11 September 2019

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文章概要:人工智能:“黑匣子”照亮光学材料

机器学习算法在促进光学器件(包括成像探针和信息存储平台)的纳米材料筛选方面取得了成功。来自澳大利亚悉尼科技大学的Jiajia Zhou及其同事等通过采用化学和物理表征技术获得的数据训练人工智能软件,回顾了如何破译光与物质之间的复杂相互作用。例如,光学显微镜应用程序现在可以分析二维材料(如石墨烯)的图像,并立即给出其组成和厚度。此外,通过改进对衍射极限以下的微弱光信号的评估,机器学习方法使二氧化硅纳米结构的数据存储量比蓝光光盘高出40%。作者指出,在“黑匣子”能够仅根据大数据集生成材料预测之前,仍然需要专家的见解。

Optical Diffraction Tomography: Seeing things in better light

Joowon Lim, Ahmed B. Ayoub, Elizabeth E. Antoine & Demetri Psaltis 

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 82 (2019)

Published online 11 September 2019

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文章概要: 光学衍射层析成像:在更好的光线下观察事物

采用一种新的软件算法和学习过程可以提高光学衍射层析成像技术(ODT)的分辨率。ODT类似于医学CT扫描或CAT扫描的计算机断层扫描过程,但使用的是光而不是X射线。从不同角度照射样品,并对衍射光的相位和强度进行分析和处理,从而生成样品的细节图像。来自瑞士洛桑联邦理工学院的Demetri Psaltis带领Joowon Lim等人改进了这项技术,通过一种更复杂的分析光束方法,实现了他们所谓的“高保真”版本。这项技术特别适用于组织切片和活细胞等复杂生物样本的成像。此外,成像酵母细胞表明已实现了更强大的功能。

Imaging: Deep learning benefits

Yair Rivenson, Yichen Wu & Aydogan Ozcan

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 85 (2019)

Published online 11 September 2019

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文章概要:成像:深度学习的效益

通过神经网络实现的深度学习为改进图像重建带来了许多新的机遇,这些图像是通过数字全息术和相干成像方法获得的。在对该主题的讨论中,来自美国加州大学洛杉矶分校的Yair Rivenson,Yichen Wu和Aydogan Ozcan解释了若使用适当的数据集进行“训练”,神经网络可以学习如何重建具有附加效益的图像,例如改进的相位恢复和扩展的景深,以及提高的空间分辨率和优越的信噪比。计算能力尤其是图形处理单元(GPU)的进步,意味着现在可以在一秒内在低成本平台上进行图像重建。预计这些进展将影响生物医学成像、环境感测和材料科学等领域中的各种应用。

Microcavities: Hybrid semiconductors team up for a quantum LED

Rahul Jayaprakash, Kyriacos Georgiou, Harriet Coulthard, Alexis Askitopoulos, Sai K. Rajendran, and et al

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 81(2019)

Published online 04 September 2019

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文章概要:微腔:混合半导体构建量子发光二极管

本文中,研究人员通过光学方法将有机半导体与无机薄膜相结合,以制造一种由准粒子驱动的发光二极管。半导体中的电子-空穴对与光子相互作用时生成的极化激元可以成为高能效的相干光源。据此,来自英国谢菲尔德大学的Rahul Jayaprakash等研究人员研发出一种设备,可在镓-铟-磷薄膜的反射微腔中生成电子-空穴对。然后研究人员将微腔的光谐振耦合到第二个微腔中,该微腔含有酞菁染料分子,可以吸收光。时间分辨光谱表明,由于两个微腔上形成的离域量子态,从无机微腔到有机微腔的能量转移为可见光发光二极管创造了足够的极化激元密度。

Metasurfaces: Bilayers allow more complex control over light

You Zhou, Ivan I. Kravchenko, Hao Wang, Hanyu Zheng, Gong Gu, and et al

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 80(2019)

Published online 04 September 2019

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文章概要:超表面:双层超表面实现了更复杂的光控制

相比于单层超表面,使用双层超表面可显著提升超表面(图案尺寸小于相互作用光的波长)操控光的能力。超表面是当前光学研究中最热门的领域之一。然而,对于超表面的潜在用途研究却受限于单层表面材料的局限性。来自田纳西州范德堡大学的Jason Valentine等美国研究人员证明,硅基双层超表面有望独立控制光的相位、振幅和偏振,可通过精心设计和构造每一层超表面,以不同方式操纵透射光。这一概念验证工作为研发具有复杂光学特性的平薄层材料开辟了新途径。其潜在的应用还包括复杂的全息系统以及光学传感和光学计算的改进方法。

Sensitive mapping of liquid dielectric topography and thickness variation

Shimon Rubin, Brandon Hong & Yeshaiahu Fainman 

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 77(2019)

Published online 28 August 2019

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文章概要:导电液体介质形态和厚度变化的灵敏标测

本文介绍了一种可以诱导和标测液体介电薄膜中微小形态topographical变化的技术,有望应用于界面科学和生产制造中。来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Shimon Rubin,Brandon Hong和Yeshaiahu Fainman通过加热激光促使液体介电薄膜的热虹吸流动。该薄膜可应用于半导体紫外光刻和微电子等领域。该团队使用表面等离激元共振显微镜标测了由流动引起的变化,这是一种非接触式成像方法,可以测量表面电磁波和金属基底中电子的集体振荡的变化。该技术成功地鉴别了由热虹吸流动引起的亚纳米级形态变化。它克服了当前应用技术中的问题,如白光干涉测量法无法检测局部厚度的微小变化的困扰。该技术具有许多潜在的应用,包括光敏材料中光诱导厚度变化的研究。

Controlling the polariton

Evgeny S. Sedov, Yuri G. Rubo & Alexey V. Kavokin 

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 79(2019)

Published online 28 August 2019

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文章概要:极化激元的控制

本文通过数值模拟展示了一个光基器件如何操纵极化激元的振荡平面,为这些quasiparticles准粒子提供了更多可控性,并为更快、更低能耗的电子器件发展铺平了道路。来自中国西湖大学的Evgeny Sedov等人证实,任何极化的极化激元脉冲都可以分解成两个相互垂直且强度不同的脉冲。可以控制它们的脉冲强度使其中一个垂直脉冲完全被抑制。当限制在一个方向上的光子与薄半导体中的物质相互作用时,就会形成极化激元。这些低质量、类光的准粒子在计算和信号处理方面具有巨大的应用潜力。本文的研究可以帮助探索极化激元的独特特性以及学习如何控制它们。

Nano-optics: polarization control

Mengjia Wang, Roland Salut, Huihui Lu, Miguel-Angel Suarez, Nicolas Martin, and et al

Citation: Light: Science & Applications 8, Article number: 76(2019)

Published online 28 August 2019

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文章概要:纳米光学:偏振控制

本文介绍了一种控制光偏振状态的简约型方法,镀金碳纳米螺旋结构。该螺旋结构是由法国FEMTO-ST研究所和中国暨南大学合作设计和制造的,利用表面等离激元和光学自旋轨道相互作用将入射的线偏振光转换成圆偏振光输出。入射光通过一个底部镀金层的穿孔纳米天线被耦合到螺旋状纳米线等离激元模式中。小尺寸纳米线意味着可以将几个纳米线组合在一起,研究小组演示了一个由4个耦合结构组成的阵列,其中两个纳米线具有左手螺旋结构,另两个纳米线具有右手螺旋结构,能够实现可调谐偏振控制。该项研究有望应用于显示、数据存储、显微镜和传感等领域。