上帝说，“要有光”，于是就有了光！

在圣经里，上帝造物之初，第一个创造的就是光，由此可见，光对于人类是多么的重要，人类无时无刻不在享受着阳光所赠予的一切。而随着光学技术不断发展进步，现如今，基于光学技术的应用已充斥社会的方方面面，成为人类生产、生活、军事、科研等领域最重要的组成部分。

如果说20世纪是电的世纪，那么21世纪就是光的世纪。随着现代科技的发展，光学技术已经进入了微纳领域，而用于微纳光学技术的材料被称为超构材料，它在纳米尺度下实现了对光的控制，为现代光学器件的研发和技术进步注入了新的血液。

南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授，作为中国微纳光学研究领域最具权威的学者之一，他就主要研究超构光子学、拓扑光子学和微纳光子集成，取得了一系列创新性的科研成果，极大推动了我国超构光子技术的发展和进步。

创新突破引领超构成像技术

2024年5月18日，2023年度中国十大光学产业技术颁奖典礼暨产业创新大会在2024光电子信息产业创新发展大会期间隆重举办。在这场专属于光学技术与创新的年度盛事中，由南京大学李涛教授、祝世宁院士团队与南智芯视（南京）科技有限公司开发的“芯片式大视场超构显微镜”成功入围，从100多项技术中脱颖而出，荣获“2023年度中国十大光学产业技术”。

超构材料研究要追溯到21世纪初，随着微纳加工技术的发展，光子晶体、超构材料、表面等离激元学等微纳光子学蓬勃发展。其中超构材料，它首先在电磁波与光学领域展示出诸多新奇效应，并进一步推广到超常的力、热、磁等其它物理特性领域，为新型功能材料提供了新思路和新技术。

据李涛介绍，超构透镜技术正是近十年来由超构表面发展起来的，它通过一薄层具有纳米结构的平板对光场进行任意操控，实现如透镜聚焦、全息成像、偏振调控等功能，这种平面超薄特性和多自由度调控为新型成像技术带来机遇。基于超构透镜的光学系统已经展示出高集成度多功能的优势，不过在综合性能方面还面临着挑战。

对此，李涛教授、祝世宁院士团队曾在Photonics Insights发表了一篇关于超构成像技术发展的综述文章——“Revolutionary meta－imaging： from superlens to metalens”（革命性的超构成像：从超透镜到超构透镜），并获得2023年度主编推荐奖。文章以历史全景的角度展现从负折射、超透镜到超构透镜研究的神奇历程，对超构成像技术的优缺点做了客观阐述与细致分析，旨在为发展新一代成像技术与产业应用提供指导。文章最后展望了超构透镜将在未来的成像设备和系统中具有显著的优势和重要作用。

基于相关研究成果，李涛教授、祝世宁院士团队与南智芯视（南京）科技有限公司共同研究，开发了一款“芯片式大视场超构显微镜”，他们基于超构透镜色散特性、超构透镜平面超薄特征以及再引入LED照明光源和液晶偏振器，构建了一套高度集成的完整显微镜系统。

据了解，该技术基于先进的超构表面技术，充分利用了超构表面设计灵活的优势，基于偏振和相位的调控，设计了偏振复用子透镜阵列，极大拓展了成像视野范围，可以在保证微米级分辨率下视野拓展到4－6毫米，超出传统显微镜一个数量级。其次，该技术中的超构透镜阵列由于其色散特性，具有波长变焦的能力。因此，可以通过改变工作波长，获得不同深度的大视野成像结果，达到大景深高分辨成像功能。

最后，该技术充分发挥了超构表面超轻超薄的优势，通过将平板结构的超构表面和图像传感器集成，构建高集成的成像芯片。进一步，通过与液晶照明模块、样品架等集成，构建出体积仅厘米立方量级的芯片式超构显微镜。

李涛表示，这款芯片式超构显微镜，以其高成像对比度、大视野和大景深的优势，在肿瘤组织癌变诊断方面，可以有效地提升病理诊断的效率。其中，高成像对比度可以省掉染色的过程，而大视野则可以快速的单次获取组织病变区域的信息；在生物医学研究方面，得益于该技术小巧、便携，且具有较高分辨率的优势。可与细胞培养箱技术结合，实现实时可视化细胞培养箱设计，可避免细胞培养过程中的复杂操作，保证细胞处于稳定环境中生长。此外，该技术还有望推向户外水质监测、居家自主血液检测、教育等更丰富的应用场景。

现在，超构成像技术已经展示出日益丰富而独特的应用场景，随着新设计原理的不断丰富、先进制程的日益成熟、人工智能的持续引入，由超构光子学带来的成像技术和产业的变革已经拉开了序幕。李涛教授、祝世宁院士团队的“芯片式大视场超构显微镜”，立足超构透镜生产制备工艺，通过超构表面器件与成像技术不断革新技术产品、面向全球，提供高通量、体积小、便携式超构表面成像与检测产品，未来将重塑人们的生产和生活方式，为人类带来更多丰富多元的成像体验。

面向前沿实现光子拓扑态调控

近年来，随着5G、云计算、互联网、信息技术等发展，人类已经进入了信息时代。相较之于发展成熟的集成电路体系，片上光子器件已经有了长足的发展，但是大规模、芯片化集成仍然面临着诸多困境。一般来说，片上光信息的传递往往需要通过波导表面的倐逝波耦合来实现，因此对结构极其敏感。而现有的片上波导工艺误差严重影响光子集成器件的性能。为解决这一问题，研究人员做了诸多尝试与努力。在这一背景下，拓扑光子学作为一项有趣而富有潜力的方式，进入了人们的视野。

据李涛教授介绍，基于波导的拓扑光学模式具有宽带性和鲁棒性优势，非常适合片上光子集成，而如何高效激发这些模式仍面临巨大挑战。利用超对称变换策略可实现波导阵列中拓扑零模的完美激发，展示了宽带性、鲁棒性的特征，对光子集成和光子前沿研究具有重要意义。

近期，李涛教授、祝世宁院士团队与香港大学张霜教授团队合作，在集成拓扑波导阵列的光场调控方面取得重要进展，他们揭示了量子度规与绝热性之间的内在关联，提出了一种通过长程耦合来调节量子度规的新方法，并通过双层硅波导阵列中成功演示了快速拓扑泵浦效应。

据了解，在研究拓扑光子集成器件时，器件的鲁棒性和集成度之间存在一种相互制约的关系，这种制约关系往往依赖于满足绝热条件的参数缓慢变化。绝热条件在拓扑泵浦过程中扮演着关键角色，它通常需要较大的系统演化尺寸，限制了拓扑光学器件的集成度与小型化。

针对该问题，李涛教授、祝世宁院士团队与合作者设计了一个双层集成硅波导晶格结构引入波导之间的次近邻耦合，并提出用量子度规作为评估复杂耦合体系物理量演化过程绝热性的标准。传统拓扑泵浦为了满足绝热条件需要较大的尺寸。此方案引入次近邻耦合后，使系统在较小尺寸下也能维持绝热性，完成拓扑泵浦过程。

李涛教授表示，这项研究提出了一个基于集成光波导的实验平台，可通过拓扑泵浦过程探究量子度规的物理特性，对于深入理解量子度规的物理本质及其潜在应用具有重要价值。随后，他们还在单层的铌酸锂波导体系中，通过参数空间路径优化的方式寻找到拓扑泵浦演化的绝热“下确界”，同样实现了片上集成的光子拓扑泵浦的加速。与此相关的研究很好展示了前沿的光子学原理在新型光子集成技术开发中的指导意义。

光学是一门古老而又活跃的前沿科学，它是人类文明延续的永恒动力。未来的科研之路依旧漫长且坎坷，李涛及其团队作为勇敢的追光者，他们将不惧困难，勇于挑战，坚持不懈，砥砺前行。他们将不断探索超构光子前沿，以创新技术照耀未来，照亮前进的道路，推动光学前沿技术发展的新变革。（文／陈伟）