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2021年光学热点回眸（上） | 回眸 光学是研究光的行为和性质的物理学科，也是与光学工程技术相关的学科，是物理学的一个重要组成部分。 本文回顾了光学领域在2021年的重大进展，盘点了激光惯性约束核聚变、微纳光学、强激光与超快光、超分辨与成像技术、量子计算与光通信这5个领域的重要进展，探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响。 激光惯性约束核聚变 激光惯性约束聚变（ICF）是利用激光作为驱动源，将核燃料压缩到高温高密度，并在燃料飞散之前进行点火和热核燃烧，从而获取聚变能的方法。 ICF领域的研究工作对于建成聚变电站、探索受控热核新能源、研究核武器物理并模拟核爆炸效应，以及极端条件下的物性研究有重要意义。 美国国家点火装置（NIF）是世界上最大的激光聚变实验装置，但十余年来一直未能实现点火。 2021年8月，在NIF上开展的新一轮惯性约束聚变实验的聚变增益达到了输入激光能量的2/3，离真正意义上实现聚变增益大于1的目标更近了一步。 美国国家点火装置NIF 目前国际上运行的高功率纳秒激光系统还有：美国的OMEGA装置、英国的Vulcan装置、法国的LMJ装置、日本的Gekko-XII装置以及中国的神光II和神光III装置。 中国ICF点火研究采取从万焦耳级到10万焦耳级，进而发展到百万焦耳级的渐进式方案，已于2012年建成了共48路光束，输出总能量200 kJ的神光III装置，主要进行ICF的物理分解实验研究。 微纳光学 微纳光学指利用微结构材料作为光学元件的光学分支。 随着生长技术、精密加工技术的进步，其涉及的尺度已下降到纳米量级，包含了许多新的光学特性，必须对其微观光学特征进行研究，由此催生了微纳光学领域的诞生。 光学超表面是一种由亚波长纳米结构阵列组成的人工二维结构。 2021年，研究人员首次展示了基于光学相变材料的电可重构非易失性超表面，并与电微加热器集成，产生了创纪录的半倍频程光谱调谐范围和超过400%的大光学对比度，并实现了动态光束控制。 有源超表面可以实现与涉及机械运动部件的传统精密体光学器件相当的光学质量。 电热超表面切换构造和封装的超表面阵列器件 电热超表面切换构造示意；（b）封装的超表面阵列器件 基于超表面的光学全息术具有视场角大、分辨率高等优点。 研究人员提出了一种由几何相位单元组成的四原子宏像素超表面，可以将多个波长的振幅与相位信息编码到任意偏振通道中，还实现了HSB三维色彩空间全息显示，在全息3D成像/显示、信息加密、AR/VR、高密度数据存储等应用中展现出巨大潜力。 全偏振自由度调控彩色全息超表面结构示意 （a）k空间调制示意；（b）四原子结构示意 自由曲面光学是近期光学设计革命的基石，它基于自由曲面的内在弯曲形状控制光，而超表面通过光与修饰平面表面的亚波长结构的相互作用实现光控制。 研究人员将超表面和自由曲面光学技术结合，实现了一种新的光学组件，称为超曲面，由与弯曲的自由曲面基板一致的超表面组成。 这为更紧凑的AR/VR眼镜以及从LED照明到医疗和军事光学设备等应用提供了一种可行的技术。 增强现实显示中的超曲面组合器应用示例和超曲面概念图示 （a）增强现实显示中的超曲面组合器应用示例；（b）超曲面概念 基于辐射制冷技术的人体热管理织物在近年来被广泛研究。 2021年，研究人员基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发了具有形态分级结构的超材料织物，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。 研究者基于批量纤维制备技术获得了均匀连续的超材料纤维，进一步利用纺纱织造和层压技术，制备得到了超材料织物，有望打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业。 超材料纤维及织物照片和超材料织物降温性能测试 红外成像是夜视、自动驾驶汽车导航、光学断层扫描和食品质量控制等许多应用中的一项关键技术。 研究人员使用超表面纳米晶体层，只需要一个简单的激光就可以将红外光转换为佩戴者可以看到的图像，在实现红外成像的同时，保证了正常的视觉，为开发用于红外视觉和生命科学的紧凑型红外成像设备开辟了新的机遇。 红外上转换成像过程和效果示意（a）使用超表面的红外上转换成像；（b）靶示意；（c）不同横向位置的上转换图像 极化激元是由光和物质强耦合作用产生的一种“半光-半物质”准粒子，能够突破衍射极限，将光场压缩聚焦到很小的尺度，实现奇异的微纳光学现象和重要应用。 近年来，各向异性传播的极化激元被广泛研究，不同种类的双曲极化激元一般被归纳为沿着材料界面传播的表面模式和在材料内部传播的体模式。 研究人员证明了在各向异性的双折射晶体方解石中，存在第3种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元，可看成是由表面模式和体模式复合而成，表现出独特的传播特性。 该研究证明了储量丰富、可大规模制备的传统块体极性晶体在微纳光学领域具有极大应用潜力，在振动分子传