多维度光场调控与超极限光学成像

光场调控及应用中心光场调控及应用中心是一个涉及光场调控技术研究和应用开发的机构。

光场调控是指通过对光场的调控，实现对光波传播和光波干涉效应的控制，从而实现对光信号的精确处理和控制。

光场调控技术是光学领域的一项重要技术，具有广泛的应用前景和潜力。

光场调控技术可以应用于多个领域，包括光学显微镜、成像显示、计算光学、激光技术、光通信、光传感等。

在光学显微镜中，通过光场调控可以实现超分辨成像，提高显微镜的分辨率。

在成像显示中，光场调控可以实现全息成像，使得显示画面更加真实逼真。

在计算光学中，光场调控可以实现光学信号的计算处理，提高信号处理速度和精度。

在激光技术中，光场调控可以实现激光束的形状控制和定向射束。

在光通信和光传感中，光场调控可以实现光信号的传输和检测，提高通信和传感的性能。

光场调控及应用中心致力于光场调控技术的研究和应用开发。

中心拥有一支专业的技术团队，包括光学、光电子、计算机等多个领域的专家和研究人员。

中心配备了先进的实验设备和实验室，能够满足光场调控技术研究和应用开发的需求。

中心与多个企业和研究机构建立了合作关系，共同进行光场调控技术的研究和应用。

光场调控及应用中心的主要研究方向包括光场调控算法研究、光场调控器件开发和光场调控系统集成。

在光场调控算法研究方面，中心关注在不同领域中光场调控技术的应用需求，开展相关的算法研究和优化。

在光场调控器件开发方面，中心开展光场调控器件的设计、制备和性能测试，以满足不同应用领域对光场调控器件的需求。

在光场调控系统集成方面，中心将光场调控算法和器件进行集成，构建完整的光场调控系统，并进行性能测试和应用验证。

中心的研究和应用开发成果得到了国内外学术界和工业界的广泛认可。

中心与多个国内外知名企业合作，共同开展光场调控技术的应用开发和市场推广。

在光学显微镜领域，中心研发出了一种基于光场调控技术的超分辨显微镜，取得了很好的成果，并成功应用于生物医学领域。

在计算光学领域，中心研发出了一种基于光场调控技术的光学信号处理器，实现了光学信号的高速处理和计算。

项目名称: 光场调控及与微结构相互作用研究首席科学家: 王慧田南开大学起止年限： 2012.1至2016.8依托部门: 教育部天津市科委一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题:针对前沿科学问题、关键技术以及国家重大需求，以现有工作积累为基础，集中有限目标、深入开展具有重大科学意义和原始创新的工作。

目前，开展激光与相关应用研究，所用激光绝大多数为具有均匀偏振态分布的标量光场.本项目集中深入开展空间结构光场相关研究，不仅具有重大科学意义,而且有望为下一代信息技术的发展提供一条新途径,具有前瞻性和迫切性。

光场调控、光场与微结构相互作用以及与电子态耦合的调控，以及在超分辨成像等方面应用的探索是密不可分的一个整体。

本项目拟解决的关键科学问题如下:关键科学问题1：空间结构光场的基本问题;光场调控的新原理和新技术光场空域调控涉及偏振态、位相和振幅以及多参量联合调控。

尤其是偏振态调控自由度的引入以及新颖动量和角动量的出现,使得空间结构光场具有许多新颖性质。

揭示空间结构光场的时空演化规律，发展描述空间结构光场的理论框架.在此基础上,打破单一参量调控的局限，提出多参量联合调控的新原理和新技术.关键科学问题2：空间结构光场的焦场工程；不同空间尺度光场与微结构相互作用机理具有不同空间尺度和新颖特性的焦场设计与控制，主要针对纵向场增强、新颖动量和角动量;具有新颖角动量聚焦场的力学效应及其在微操纵中的应用。

新型光场与物质非线性相互作用的全矢量耦合波理论，尤其关注空间结构光场的时间反演问题.新颖动量和角动量以及纵向场对空间结构光场与微结构材料相互作用的影响.偏振态和位相的空间结构与微结构材料的空间结构相互作用与耦合问题.关键科学问题3：具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合；空间关联光量子态具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合的机理,及其动量和角动量守恒等基本物理问题；空间结构光场所具有的新颖偏振态分布特性、新颖角动量和强纵向场，对激发/辐射过程的控制；空间结构光场与微结构相互作用所致的空间关联光量子效应的基本物理问题；空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理.关键科学问题4：极小空间尺度光场产生的原理与表征技术；极小空间尺度光场与电子态耦合远场极小空间尺度光场生成的新原理与新技术、物理描述、表征技术以及实验构建（包括偏振态、位相与振幅空间分布）。

超材料与负折射材料的研究与应用近年来，超材料和负折射材料的研究与应用在光学领域取得了重大的突破与进展。

它们的出现不仅深刻地影响了光学设计的理论基础，也为光学元件的开发和应用提供了无限可能。

一、超材料的研究与应用超材料是一种人工构造的材料，其具有非常特殊的光学性质。

超材料的结构特点是由微观结构单元组成，这些单元的尺寸远小于照射波长。

超材料的出现使得我们可以自由地调控电磁波的行为，例如对光的折射率和色散关系进行精确设计。

这种能力为我们打开了设计和制造优化光学器件的新途径。

1.1 超材料的原理和分类超材料的原理基于人工构造的亚波长级别的等效介质。

通过精确设计结构的尺度和形状，我们可以有效地改变电磁波在超材料中的传播行为。

根据其结构和工作原理的不同，超材料可以分为负折射材料、超透镜、颜色滤波器等多个分类。

1.2 超材料在光学领域的应用超材料在光学领域的应用非常广泛。

其中，超透镜是一种利用超材料的特殊性质实现超分辨成像的设备。

与传统光学系统相比，超透镜的分辨率更高，可以突破传统光学系统的衍射极限。

此外，超材料还可以应用于红外光学、光场调控等方面，为实现更高效的光学效果提供了新的可能性。

二、负折射材料的研究与应用负折射材料是指其折射率为负值的材料。

与常规材料相比，负折射材料具有独特的光学性质。

通过合理设计负折射材料的结构，可以实现逆向传播的光线，即折射方向与入射方向相反。

这为我们提供了控制光的传播方向和聚焦能力的新思路。

2.1 负折射材料的特性负折射材料的特性体现在其折射率小于零的范围内。

负折射材料的出现打破了折射定律的限制，为光学设计和信息传输提供了全新的可能性。

通过利用负折射材料，我们可以实现超分辨成像、聚焦微观物体和超导波等重要应用。

2.2 负折射材料的应用负折射材料在光学通信、光医学和光子集成等领域有着广泛的应用前景。

例如，负折射材料可以用于实现超高分辨率的显微镜，其成像分辨率远超过传统显微镜的极限，可以观察到更小尺寸的微观结构。

STED超分辨成像技术超分辨光学成像超分辨光学成像特指分辨率打破了光学显微镜分辨率极限（200nm）的显微镜，技术原理主要有受激发射损耗显微镜技术和光激活定位显微镜技术。

简介光学显微镜凭借其⾮接触、⽆损伤等优点，长期以来是⽣物医学研究的重要⼯具。

但是，⾃1873年以来，⼈们⼀直认为，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm，⽆法⽤于清晰观察尺⼨在200 nm以内的⽣物结构。

超分辨光学成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世纪光学显微成像领域最重⼤的突破，打破了光学显微镜的分辨率极限（换⾔之，超越了光学显微镜的分辨率极限，故被称为超分辨光学成像），为⽣命科学研究提供了前所未有的⼯具。

光学显微镜的分辨率1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出，光学显微镜受限于光的衍射效应和光学系统的有限孔径，存在分辨率极限（也称阿贝极限），其数值约为l / 2NA（分辨率极限公式），其中l是光波波长，NA是光学系统的数值孔径（Numerical Aperture）。

, n为介质的折射率，a为物镜孔径⾓的⼀半。

成像时若使⽤波长为400 nm的光，并采⽤空⽓（折射率为1）作为物镜和样本之间的介质，可计算得到分辨率极限为200 nm。

因此，我们通常说，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm。

此后的研究表明，光学显微镜的分辨率决定于光学系统中聚焦光斑（称为艾⾥斑, Airy disc）的尺⼨。

另外，当⼀个艾⾥斑的边缘与另⼀个艾⾥斑的中⼼正好重合时，此时对应的两个物点刚好能被⼈眼或光学仪器所分辨（这个判据称为瑞利判据，Rayleigh Criterion）。

利⽤瑞利判据以及艾⾥斑的数学表达式，我们可以得到光学显微镜的分辨率公式：0.61λ/NA。

值得指出的是，光学显微镜的分辨率公式跟前⾯提到的分辨率极限公式有所不同，⽽前者更⼴泛的被光学成像领域使⽤。

2017年度广东省科学技术奖项目公示项目名称超极限光学成像的光场调控与光传输优化主要完成单位中山大学主要完成人（职称、完成单位、工作单位）1.周建英（职称：教授，工作单位：中山大学，完成单位：中山大学），主要贡献：第1发现点：系统性地提出了开展超极限光学成像的光场调控研究，第2发现点：提出了光场调控用于先进光学成像的研究，第3发现点：提出了调控光场进行光传输优化的研究。

为项目开展提供主要的科研条件，指导研究生开展平台建设和系统研究工作，主导和促进项目的国际交流。

主持两项国家自然科学基金重点项目以及国家重点研究计划子项目。

作为代表性论文1、2、3、4、5、10的通信作者，参与了主要论文的撰写、修改与定稿。

2.谢向生（职称：副教授，工作单位：汕头大学，完成单位：中山大学），主要贡献：第1发现点：具体开展矢量光场调控技术及其超分辨应用的平台搭建和研究工作：设计了紧聚焦光场的三维测量装置；搭建极小空间光场的生产装置；推导出矢量光场的多参量调控共聚焦成像理论并实现超分辨光学成像实验。

第2发现点：为先进光学成像技术设计特殊的空间光调制器件。

为代表性论文1的第一作者，代表性论文4的通信作者，代表性论文3和5的主要作者。

主持国家自然科学基金面上项目，为国家重点研究计划“光场调控及与微结构相互作用研究”骨干成员。

3.刘忆琨（职称：副教授，工作单位：中山大学，完成单位：中山大学），主要贡献：第3发现点：设计并制备了色散控制波导阵列，并开展相应的理论和测试工作，参与设计了准无序光子晶格；第2发现点：参与制备和测试了折射率虚部光子晶体，通过控制光场的相位分布实现了带缺陷的干涉光场。

为第3代表性论文的第一作者，第2、5、7代表性论文的主要作者。

主持国家自然科学基金青年基金项目。

4.李俊韬（职称：副教授，工作单位：中山大学，完成单位：中山大学），主要贡献：第2、3发现点中的贡献中利用电子束直写、全息光刻等方法设计制备了虚部光子晶体，光子晶体波导以及准随机等平板微纳结构，用于光场在空间分布、传播方向和传输速度等方面的调控。

光学结构化光场的研究光学结构化光场，是指具有特定形态和分布特征的光场。

这种光场的研究在物理学和工程学领域中具有广泛的应用，其优点为光学器件设计提供了更灵活、更高效、更精确的处理手段。

本文将介绍光学结构化光场的研究进展及其应用前景。

一、光学结构化光场的物理特性在光学结构化光场的研究中，最为常见的是光学相位对光的控制。

相位控制和光干涉装置相结合，可以产生各种结构化光场，如光束阵列、光学难题、超分辨、非线性光学效应等。

在实际应用中，结构化光场具有许多有用的性质。

例如，积分相位控制可实现超分辨度成像。

其具有远远超过瑞利极限的成像分辨率，对生物医学成像、检测技术、光存储以及芯片制造等领域有着重要的应用价值。

另外，智能光网中，光束成型技术可实现大容量、高速传输。

二、光学结构化光场的应用研究1.超分辨成像超分辨成像技术是研究领域中的一项热门技术，它对许多领域具有难以忽视的重要作用，例如计算机芯片制造、分子成像、生物医学成像等领域。

现有的超分辨成像技术中，结构化光场技术是其中重要的一种。

利用结构化光场技术可以实现通过物理控制光束的分布，来使得被成像物的细节得到更好的捕捉。

尤其是在物体边缘存在高频成分的情况下，普通成像技术很难发挥出作用。

而利用超分辨技术可以有效地优化成像效果。

2.光通信光通信技术是众多技术领域中的一种重要的集成技术。

而在光通信技术中，光束成型技术的应用更是成为了一项必不可少的技术。

光束成型技术利用多种光学成像的方法，通过物理控制光束的分布，来实现多光束发送等操作，使得在光通信中，数据的传输效率更加高效。

3.光学制造在光学制造领域中，结构化光场技术可用于制造微纳光学元器件及集成光学电路板。

光学制造领域的技术革新对于推广信息社会的发展具有极其重要的意义，虽然目前光学制造技术的成本较高，但是随着技术的不断提升，其应用前景必然会越来越广泛。

结语综上所述，光学结构化光场的研究与应用对现代工程技术、物理学等研究领域具有重要的意义，其应用前景十分广泛。

简述计算光学成像的定义与分类.1.计算光学成像的定义.光电成像的本质是光场信息的获取与解译，这里的光场是指光的强度、偏振、光谱、相位等物理量在空间中的分布。

传统光电成像是建立在几何光学的基础上，光场信息的获取是记录了二维的空间面上光强度分布，与人眼视觉相似，所见即所得，一般没有光场解译的过程。

计算光学成像是下一代光电成像技术，是光电成像技术在信息时代发展的必然。

计算光学成像在传统几何光学的基础上，有机融入了物理光学的信息，如偏振、相位、轨道角动量等物理量，以信息传递为准则，多维度获取光场信息，并结合数学和信号处理知识，深度挖掘光场信息，通过物理过程解译获取更高维度的信息。

“计算”可以理解为“编解码”（Coding/Decoding），光学的编码有很多种方式：孔径编码、波前编码、探测器编码等等，所以，计算光学成像可以理解为信息编码的光学成像方法。

几何光学存在的物理限制，在测距、视觉测量等方面受限因素颇多，一般能达到的精度为10-2至10-3数量级，难以实现10-5到10-6这样数量级精度的跨越。

如果能将物理光学引入到成像模型中，通过信息编码/解译获得超越几何光学成像的极限，这便是计算成像。

光学成像朝着“更高、更远、更广、更小、更强”发展，即更高的分辨率、更远的作用距离、更广的视场、更小的光学成像体系、更强的环境适应性。

.2.光学计算成像的分类.维基百科对计算成像的描述是：凡是在成像过程中引入计算的都属于计算成像，从这个描述可以看出，几乎所有的光电成像都可以纳入到计算成像的范畴，甚至图像处理在广义上也可以认为是计算成像。

2.1链路标准体系根据技术实现所依靠的主要环节不同，计算成像技术可由成像链路自然地分为计算光源型、计算介质型、计算光学系统型、计算探测器型以及计算处理型。

依照此种体系分类下，各成像链路中单一环节可实现特定的计算成像，同时也可多环节协同实现某特定性能的任务目标。

2.2功能目的标准体系根据计算成像技术具体实现功能进行分类，主要分为基础理论和应用技术两大类。

基于声子极化激元的中远红外光场调控基于声子极化激元的中远红外光场调控是一种利用物
质内部集体激发模式——声子极化激元来操纵和控制中远
红外波段光场传播、聚焦、增强以及相互作用的技术手段。

声子极化激元是由电磁场与物质晶格相互作用产生的
准粒子，其能量处在红外至太赫兹频段，主要表现为局域化的电磁场增强效应。

在纳米尺度下，金属或半导体纳米结构（如金属颗粒、超材料结构、二维材料等）能够支持声子极化激元，实现对中远红外光场的高度局部化和增强。

通过设计和优化这些纳米结构，科学家们可以在中远红外波段实现以下功能：
1. 光场的高效捕获和增强：利用声子极化激元的局域场增强效应，可以将光场集中在一个非常小的空间区域内，提高探测器的灵敏度或驱动化学反应。

2. 超分辨率成像：突破衍射极限，实现纳米级别的超高分辨光学成像。

3. 光谱调控：改变材料的光学响应特性，实现特定波长的选择性吸收、反射和透射。

4. 光通信与传感：利用声子极化激元对光场的调控能力，发展新型的光通信器件和传感器件。

因此，基于声子极化激元的中远红外光场调控技术在纳米光子学、超分辨率成像、光电子学、分子检测等领域具有广阔的应用前景。

相空间,光场,与计算光学成像英文回答：Phase space, optical field, and computational optical imaging are all concepts in the field of optics that are used to describe and analyze the behavior of light and its interactions with various systems. Let me explain each of these concepts in more detail.Phase space is a mathematical concept that is used to describe the state of a physical system. In optics, phase space refers to the space in which the position and momentum of a light wave are represented. It is a four-dimensional space, with two dimensions representing the position of the wave and the other two dimensions representing the momentum of the wave. The position and momentum of the wave are related by the uncertainty principle, which states that the more precisely we know the position of the wave, the less precisely we can know its momentum, and vice versa.The optical field refers to the distribution of light intensity and phase in space. It is a fundamental conceptin optics that is used to describe the behavior of light waves. The optical field can be described by a complex-valued function, known as the electric field, which represents the amplitude and phase of the light wave ateach point in space. The optical field can be manipulated and controlled using various optical components, such as lenses, mirrors, and wave plates, to achieve desiredoptical functionalities, such as focusing, imaging, and polarization manipulation.Computational optical imaging is a branch of opticsthat combines optical systems with computational algorithms to enhance and improve the imaging capabilities of optical systems. It involves the use of digital image processing techniques to extract useful information from optical images. For example, in traditional optical imaging systems, the resolution of the image is limited by the diffractionof light. However, by using computational algorithms, it is possible to overcome the diffraction limit and achievesuper-resolution imaging. Another example is the use of computational algorithms to correct for aberrations in optical systems, which can improve the image quality and sharpness.中文回答：相空间、光场和计算光学成像都是光学领域中用来描述和分析光的行为及其与不同系统的相互作用的概念。

跨尺度矢量光场时空调控验证装置概算1. 简介跨尺度矢量光场时空调控验证装置是一种用于验证光场在时间和空间上的调控能力的设备。

它能够实现对光波在不同时间和空间尺度上的精确控制，以验证新型光学器件或技术在实际应用中的性能和可行性。

2. 设备原理该装置主要基于矢量光学原理，通过对光波进行相位和幅度的调控，实现对光波在时间和空间上的精确控制。

它包括以下几个关键组件：2.1 光源系统光源系统是该装置的核心部分，用于提供稳定、高亮度、宽谱范围的光源。

可以选择合适的激光器或白光源作为光源，并根据实验需求进行定制。

2.2 空间调制器件空间调制器件主要用于对入射光波进行空间上的调制，可以采用液晶空间光调制器（LC-SLM）、微镜阵列（DMD）等设备。

这些设备能够根据输入的控制信号，改变光波的相位和幅度分布，实现对光波的空间调控。

2.3 时间调制器件时间调制器件主要用于对入射光波进行时间上的调制，可以采用可调谐脉冲压缩器、电光调制器等设备。

这些设备能够根据输入的控制信号，改变光波的时间延迟和脉冲形状，实现对光波的时间调控。

2.4 光学检测系统光学检测系统用于对经过空间和时间调制后的光波进行测量和分析。

可以选择合适的检测器、成像系统等设备，并根据实验需求进行定制。

3. 概算预算根据以上设备原理和所需组件，初步估计跨尺度矢量光场时空调控验证装置的概算预算如下：部件数量单价（人民币）总价（人民币）光源系统 1 100,000 100,000空间调制器件 1 50,000 50,000时间调制器件 1 50,000 50,000部件数量单价（人民币）总价（人民币）光学检测系统 1 80,000 80,000辅助设备和材料- 20,000 20,000总计- - 300,000注：以上价格仅为初步估算，实际预算可能会有所变动，具体价格取决于所选设备的品牌、型号和功能要求。

4. 应用领域跨尺度矢量光场时空调控验证装置在以下领域具有广泛的应用前景：4.1 光学通信通过对光波进行时空调控，可以提高光纤通信中的传输带宽和容量。