《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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Broadband 200-nm second-harmonic generation in silicon in the telecom band

Neetesh Singh, Manan Raval, Alfonso Ruocco & Michael R. Watts 

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 17(2020)

Published online 06  February 2020

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文章概要:电信波段硅中宽带200纳米的二次谐波生成

近日,来自美国麻省理工学院的Neetesh Singh等人用短脉冲表征了硅中的宽带二次谐波产生。由于二次谐波与泵浦的群速度匹配,可以观察到高达200 nm的宽带信号生成。这是利用泵的基于三阶非线性的光谱展宽与二次谐波信号的交叉相位调制相结合而实现的。此外,当泵浦波长在3 µm时,硅波导可以被设计成在整个近红外区域产生二次谐波信号。通过打破反演对称性和泵浦与信号的准相位匹配可以在硅中实现强的二阶效应,然而,为了产生有效的宽带二次谐波信号,需要匹配泵浦和信号的群速度。在这项工作中,研究人员利用硅波导的色散工程来实现泵浦和信号之间的群速度匹配,以及通过强的三阶非线性来扩展二次谐波的附加自由度,证明了硅中强大的自相位调制和交叉相位调制有助于在O波段将二次谐波扩大200 nm。此外,作者还展示了一种波导设计,可用于在整个近红外区域中产生二次谐波信号。文中的工作为各种应用铺平了道路,例如可集成的高效宽带互补金属氧化物半导体频率合成器,纠缠光子对生成器和光学参量振荡器。

Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass

Masaaki Sakakura, Yuhao Lei, Lei Wang, Yan-Hao Yu & Peter G. Kazansky 

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 15(2020)

Published online 04  February 2020

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文章概要:“玻璃硬盘”,用激光写入数据

针对控制双折射的各向异性所面临的这些困难,来自英国南安普敦大学光电研究中心的科学家们提出了一种新的双折射修饰方法,该方法利用超快激光在石英玻璃中进行直接写入从而实现了超低损耗。这种双折射修饰方法与源于纳米光栅或者纳米片的常规双折射修饰方法完全不同,它包含了具有伸展型各向异性形状的随机分布的纳米孔,这些纳米孔的排列方向与激光直写时的偏振方向相垂直,这个特点正是这种方法具有高透射率以及可控双折射效应的原因。这种双折射修饰方法可以用于制造可应用在大功率激光器中的超低损耗且空间移变的双折射光学元件,包括几何相位平面棱镜和透镜,矢量光束转换器和零阶延迟器等。科学家们用这种方法在石英玻璃中制造的双折射光学元件具有从紫外到近红外波段的高透射率及高耐久性,成功突破了使用常规材料和基于诸如光取向液晶和超表面的制造方法在几何相位和偏振整形上遇到的局限性。同时,这种具有高透射率的空间选择性双折射修饰方法还可以在石英玻璃中实现高容量的多路复用数据存储。

Tailoring spontaneous infrared emission of HgTe quantum dots with laser-printed plasmonic arrays

A. A. Sergeev, D. V. Pavlov, A. A. Kuchmizhak, M. V. Lapine, A.L.Rogach, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 16(2020)

Published online 04  February 2020

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文章概要:利用激光打印等离子体阵列调节HgTe量子点的自发红外辐射

近日,来自中国、俄罗斯和澳大利亚的科学家们A.A. Sergeev, D.V. Pavlov, A.A. Kuchmizhak, M.V. Lapine等人设计的有序的等离激元纳米天线阵列,可以与用于激发红外量子的泵浦辐射束共振相互作用,并明显调整了自发辐射的发射速率,激发态的寿命以及其产生的发射光谱。在高达3微米的宽光谱范围内发射红外光的HgTe 量子点。通过耦合到Au等离子体阵列,可以增强和调整HgTe量子点自发的近中红外发射的能力。HgTe 量子点的化学合成和加工的简易性,以及具有定制的等离激元响应的纳米天线直接激光制造的可扩展性,为设计用于各种应用的红外范围设备迈出了重要的一步。量子点与纳米等离子体基片的结合提高了红外性能,并克服了隔离运行时对量子点施加的基本物理限制。除此之外,研究人员发现还可以克服光致发光光谱中由于用于稳定量子点的有机配体的红外振动带而引起的负吸收下降。

Spectral absorption control of femtosecond laser-treated metals and application in solar-thermal devices

Sohail A. Jalil, Bo Lai, Mohamed ElKabbash, Jihua Zhang, Chunlei Guo, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 14(2020)

Published online 04 February 2020

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文章概要:飞秒激光刻蚀技术将普通金属变成“完美”的太阳光能吸收器

来自美国纽约罗彻斯特大学光学研究所的郭春雷课题组通过等离振子共振尺寸效应和等离激元杂交模型来控制表面纳米结构的形貌,进一步控制经飞秒激光诱导的金属表面的光学性质。利用飞秒激光脉冲蚀刻具有纳米级结构的金属表面,通过修改飞秒激光加工参数来调节随机分布的纳米结构的尺寸和密度,从而改变经飞秒激光诱导的表面结构的光吸收能力。使该表面选择性地仅吸收太阳光波长的光,而不吸收其他波长的光。该表面不仅增强了从阳光中吸收能量的能力,而且还减少了其他波长的热耗散,实际上是“首次制造出完美的金属太阳能吸收器”。为了拓展这种通过飞秒激光诱导来控制金属表面的光吸收能力的应用,研究人员还通过实验证明了该技术在铝、铜、钢和钨等金属上的光吸收能力调控,提出了选择性太阳能吸收器(SSA)和宽带吸收器(BBA),并首次证明了可将飞秒激光诱导的表面用作高温选择性太阳能吸收器,基于钨的选择性太阳能吸收器(W-SSA)具有最高的太阳能吸收效率,表现出作为高温太阳能接收器的出色性能。与未经过处理的钨相比,W-SSA与太阳能热电发电(TEG)装置集成后,其热发电效率提高了130%。

Intelligent control of mode-locked femtosecond pulses by time-stretch-assisted real-time spectral analysis

Guoqing Pu, Lilin Yi, Li Zhang, Chao Luo, Zhaohui Li , and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 13(2020)

Published online 28 January 2020

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文章概要:基于实时光谱分析的智能飞秒锁模脉冲控制

上海交通大学义理林教授与中山大学李朝晖教授研究团队利用时间拉伸-色散傅里叶变换(time stretch dispersive Fourier transformation, TS-DFT)技术,结合基于FPGA的智能控制算法和实时控制电路,设计了时间拉伸辅助的实时脉冲控制器(time-stretch-assisted real-time pulse controller, TSRPC),首次实现了对锁模激光器产生的飞秒脉冲进行实时的光谱精细控制。通过时域到光谱的转换,采用低速ADC即可识别飞秒脉冲对应的瞬时光谱宽度和形状。结合智能控制算法,实现了以1.47nm为精度对飞秒脉冲光谱宽带从10nm到40nm进行可编程调控,光谱形状可编程为双曲正割型或三角形等。理论上只要锁模激光器内部存在某一特定的锁模态,都可以通过TSPRC技术自动搜索并锁定到该状态。锁模激光器中如何复现具有特定光谱分布的锁模态一直是一个难题,困扰着锁模激光器的应用。该研究通过实时的光谱精细控制,为复现具有特定光谱分布的锁模态提供了可能。基于实时的光谱控制,该研究还展示了从窄谱锁模态至宽谱锁模态以及从三角形光谱脉冲态至宽谱锁模态的演变过程,发现两者动力学过程具有相似性,提出了目标锁模状态可能决定中间动力学过程的猜想,为人们进一步探索锁模激光器内部机理提供新视角。

Active sorting of orbital angular momentum states of  light with a cascaded tunable resonator

Shibiao Wei, Stuart K. Earl, Jiao Lin, Shan Shan Kou & Xiao-Cong Yuan 

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 10(2020)

Published online 28 January 2020

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文章概要:级联可调谐谐振器可对光的轨道角动量状态进行主动分选

近日,来自中国、和澳大利亚的科学家们Shibiao Wei, Stuart K. Earl等人的文章展示了一种可重新-配置的OAM分选器,该分,类器可以同时处理多个OAM状态,同时保留原始状态。另外,通过这种模块化设计,可以通过增加数量的OAM状态轻松扩展系统。该OAM分拣机的基本构建元素是光学腔。因此,分选器通过使用基于共振的方法继承了许多优点,例如高选择性和高效率。由于这种方法的共振特性,可以抑制各种OAM状态之间的串扰。此外,利用古伊相位积累原理,该分类器不仅对方位模式指数l的值敏感,而且对径向模式指数p也敏感。与先前提出的用于对LG光束的径向模式进行分选的干涉仪相比,此处提出的分选器更加紧凑,这在考虑实际应用时非常重要。

Super-resolution fluorescence-assised diffraction computational tomography reveals the three-dimensional landscape of the cellular organelle interactome

Dashan Dong, Xiaoshuai Huang, Liuju Li, Heng Mao, Yanquan Mo,, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 11(2020)

Published online 28 January 2020

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文章概要:超分辨荧光辅助衍射层析成像揭露细胞器相互作用全景

近日,北京大学物理学院施可彬研究员和分子医学所陈良怡教授等人合作将三维无标记光学衍射层析显微成像与二维海森结构光超分辨荧光成像技术相结合,发展了超分辨荧光辅助衍射层析(SR-FACT)双模态显微成像技术,实现了对细胞内细胞器相互作用过程的高速三维全景成像。其中,光学衍射层析成像模态首次实现了活细胞内线粒体、脂滴、核膜、染色体、内质网及溶酶体等多种亚细胞结构的同时高速三维成像。在双模态系统对活细胞的观察中,他们发现了一种新的亚细胞结构,命名为“黑色液泡小体”,并对其在细胞代谢过程中的作用进行了研究。这一双模态成像方法为全面三维的表征活细胞内细胞器相互作用及分子或信息的传递过程提供了一个有力工具。其有助于发现在单一成像模态中被忽略的结构或动态。由于低光毒性和无需特异标记的特点,该成像方法未来将在生物学及医学中发挥重要作用。

Parallelized volumetric fluorescence microscopy with a reconfigurable coded incoherent light-sheet array

Yu-Xuan Ren, Jianglai Wu, Queenie T. K. Lai, Hei Ming Lai, Dickson M. D. Siu, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 8(2020)

Published online 20 January 2020

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文章概要:可重构的编码非相干光片阵列实现并行荧光体成像

近日,香港大学研究团队通过无穷镜将光束整形成相互非相干的一维虚拟光源阵列。通光定制的调制编码单元,每一个虚拟光源的光强度会以特定的频率随时间变化。这个经过时间调制的光源阵列通过光学元件形成单个光片后进入显微镜物镜并照射到荧光样品上。荧光成像沿用常规光片荧光显微镜的侧向采集方式。为了并行采集每层的图像,装置中人为引入球差增大成像焦深。这种设计提供了一种可行的方案克服了传统光片荧光显微镜由于机械扫描引起的稳定性差以及每层图像之间有时滞的瓶颈。同时,所采用的双反射镜设计有效地在相邻的兩束光之间引入时间延迟,使得照明的光片之间互不相干,减少在荧光成像中形成激光散斑,特别适合对散射介质中的结构进行成像。与传统的基于空间光调制或者激光分束的技术相比,采用双反射镜所生成的多光片具有光片数目以及相干性可控的优势。由于采用编码调制结合并行照明,可以实现对样品的深度结构进行低损伤成像,光损伤比传统的光片荧光显微镜更小。研究团队利用CLAM对含二氧化钛的人工散射介质中的荧光高分子微球进行成像,在300 μm穿透深度内仍能得到较好信噪比的图像。所构建的CLAM系统能对组织透明化的老鼠肾小球以及血管等重要组织结构进行三维成像。CLAM的应用还可以进一步拓展到发育生物学、细胞生长调控等研究,如对斑马鱼、果蝇等模式动物以及植物细胞的实时三维成像。在显微技术方面,非相干多片光照明以及编码调制技术可以方便的移植到传统的商用显微镜以及光片荧光显微镜上,实现多功能紧凑的光学显微成像系统。

Measuring a dynamical topological order parameter in quantum walks

Xiao-Ye Xu, Qin-Qin Wang, Markus Heyl, Jan Carl Budich, Wei-Wei Pan, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 7(2020)

Published online 20 January 2020

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文章概要:量子行走中测量动力学拓扑序参数

近日,中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋课题组与德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所Markus Heyl教授以及德国德累斯顿工业大学Jan Carl Budich教授等人合作,通过追迹长时间量子行走的完整量子态,成功直接测量量子淬火过程中的动力学拓扑序参数。在他们量子行走实验系统中,观察到了动力学拓扑序参数的不同行为,这些不同的行为提供了量子淬火过程的动力学分类。进一步,通过建立与之对应的多体模型并研究具有不同驱动类型的相变过程,揭示了量子行走中动力学拓扑序参数的非解析变化与发生动力学量子相变之间的内在联系,为动力学相变的分类提供了可行的方法。另外,他们的研究还揭示了周期驱动系统与静态系统动力学之间的差异。该研究成果为进一步研究相干非平衡动力学过程提供了一个通用平台。

Raman lasing and soliton mode-locking in lithium niobate microresonators

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi, Rebecca Cheng, Cheng Wang, Mian Zhang, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 9(2020)

Published online 20 January 2020

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文章概要:铌酸锂微谐振器中的拉曼激光和孤子锁模

来自美国和中国香港的科学家Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi, Marko Lončar等人在铌酸锂微谐振器中实现了拉曼激光和孤子锁模。研究人员通过选择性激发拉曼活性声子模式来表征单片铌酸锂(LN)微谐振器中的拉曼辐射光谱。在一个单片LN芯片上实现了多波长拉曼激光,并描述了不同泵浦光偏振的不同拉曼过程。相对于泵浦光,所有拉曼振荡都在向后的方向上占主导地位。研究人员实现了TE偏振光的最高泵浦-斯托克斯转换效率为46%。他们在X切LNOI芯片中,通过腔几何控制充分抑制拉曼效应,实现锁模。此外,研究人员研究了拉曼散射对克尔频率梳产生的影响,观察到拉曼效应与基于三阶非线性的FWM过程之间的非平凡相互作用形成的克尔频率梳。这项工作为深入了解LNOI平台中拉曼散射的动力学和效应提供了理论依据,这对于基于芯片的非线性光子器件的设计和开发至关重要。