悉尼 - 悉尼大学光子与光学科学院的科学家开发了一种激光器，能够发射高能量短脉冲。他们的研究团队在研究光孤子波中发现，普通的孤子波激光器，其能量反比于其脉冲宽度，也就是说，如果将脉冲的宽度减半，能量就是原来的 2 倍。而他们使用了四次光孤子波，其能量反比于脉冲宽度的三次幂，也就是说，如果脉冲宽度减半，其能量将是原来的 8 倍。这是一个全新的激光物理定律，已经得到了该研究团队的实验验证。
该团队目前已取得了 1 皮秒的高能量短脉冲激光，下一阶段准备研发飞秒短脉冲激光器，其脉冲峰值功率将达到上兆瓦。
这种激光器在眼科、心外科和脆性材料工程中有潜在的应用。比如，激光角膜手术，需要轻微地去除角膜的一部分，而又不会产生热量损坏角膜的表面，这就需要高脉冲能量和超短脉冲时间。
布里斯托尔, 英国 - 布里斯托尔大学的物理学家研发出了一款有望实现大规模量子光子学的集成光子源。集成量子光子学是一个充满希望的用于开发量子技术的计算平台，因为它具有在微型光学回路中产生和控制光子的能力。借助于成熟的 CMOS 硅工业来加工制造集成器件，将能使相当于数千根光纤和组件的光学回路集成在一个毫米级芯片上.
限制集成量子光子学规模化的一个困难就是缺乏芯片上的光源，无法产生高质量的单光子。为了解决这个问题，研究人员开发了一个方法，叫做多模式自发四波混合。用成熟的工艺将光子源加工到硅中，研究人员利用双模泵浦延迟激发技术，在低损耗螺旋多模波导中，通过共模自发四波混合来设计光谱上的纯光子对的发射。使用这一技术，他们创造了产生单光子的近乎理想的条件。
布里斯托尔团队在洪乌曼德尔实验中基准测试了这些源在光子量子计算中的应用。据研究人员所讲，他们获得了最高质量的芯片上的光子量子相干涉（可见性达到 96%）。截至目前，他们的设备展示出了最佳性能：光谱纯度达到了99%。硅光子器件是在铸造厂中用 CMOS 兼容工艺制造而成，这意味着，使用布里斯托尔团队的这一技术，可以将成千上万个光子源集成到一个器件中。
这项研究将是迈向大规模建造量子回路的重要一步。该团队利用这项技术已经解决了一组严重的噪声，而这些噪声曾经限制了规模化光子量子信息的处理。例如，有多个组，每组有成百上千个这样的光子源，可以建造“近期限噪声中尺度量子”（NISQ）光子机器，在这里，上百个光子可以被处理以完成特定的任务，如分子动力学或与图论相关的某些优化问题的仿真。
随着光子源的进一步优化和小型化，该团队的技术将一步步在集成光子学平台中实现容错量子运算，释放量子计算机的全部潜力。
莫斯科 - 莫斯科物理与技术学院联合阿尔贡国家实验室的研究人员，实现了一种使用简单光学工具测量物理量的先进量子算法。该技术可以使负担得起的具有高性能特性的线性光学传感器在天文学和生物学等不同研究领域得到应用。
直到最近，没有任何测量工具能够确保精度超过所谓的镜头噪声极限，这与经典观测固有的统计特征有关。量子技术为解决这一问题提供了一条途径，它从量子力学的基本原理出发，提高了海森堡极限的精度。
2016年首次探测到引力波的 LIGO(激光干涉仪重力波天文台)实验表明，结合复杂的光学干涉方法和量子技术，可以实现海森堡极限灵敏度。
一个包含大量分束器、移相器、镜片等线性光学元件的特定装置，能够获得关于物理物体的几何角度、位置、速度和其他参数的信息。测量涉及到需要对待测光学相位的数量进行编码，这些相位值后续会被直接确定。实验表明，尽管设计中有大量光学元件，整个装置仍然是可调可控的。根据论文提供的理论估计，用线性光学工具实现哪怕是非常复杂的平均运算也是切实可行的。研究表明，线性光学元件提供了一个负担得起的、有效的平台，以实现中等规模的量子测量和计算。
香槟分校，伊利诺伊 - 谐波光学层析成像（简称HOT）是一项技术，用于显微的、非线性的、非均匀物质的成像。它用全息图像信息生成样品的 3D 图像。这项技术是伊利诺伊大学香槟分校贝克曼先进科技研究所和科罗拉多州立大学合作的结果。
HOT技术首先对复杂谐波进行干涉测量，然后利用散射逆向模型重建谐波的三维分布。
研究人员一开始先是开发理论模型，用来描述如何进行组织成像。他们发现了一种 3D 成像的能力，当样品被模糊的、离焦的激光照射时，这种能力会反直觉地产生。为了收集数据，研究人员设计并定制了一台高功率激光器，用计算成像算法重建了数据。研究人员用两类样品测试并验证 HOT 原理，一块通常用来产生非线性信号的制造晶体样品和一块肌肉组织样品。尽管实验基于二阶非线性材料，但实验结果表明，该方法可应用于任何相干非线性过程。实验验证了一种新的光学层析成像形式，验证了实验预期。
据研究人员称，这种新型的层析成像对目前依靠二维图像来理解胶原纤维取向的广泛研究，可能是非常有价值的，胶原纤维的取向已经被用作许多类型癌症的报告。此外，HOT 与传统的激光扫描显微镜相比的另一优点是，它的高速使之大大减小了振动和无用的显微漂移带来的影响，使图像更清晰，重复性更高。
哥德堡 - 瑞典 查默斯理工大学的研究人员开发了一种制造超构表面的方法，可以使超薄镜片的大规模生产更接近实现。超构表面由许多相互作用的纳米粒子组成，它们共同作用能够控制光，并在光学技术的未来具有许多应用。
该技术是基于以前对塑料所做的研究工作，现在塑料已经被用来创造其它微结构。他们把一层薄薄的塑料放在玻璃板上，使用一种叫做电子束光刻的成熟技术，在塑料薄膜中绘制详细的图案，该薄膜经开发后形成超构表面。由此产生的设备可以像普通相机镜头一样聚焦光束，但它薄了数千倍，而且还可以是柔性的。
以前，大规模生产超构表面面临许多阻碍，比如需要先进的制造设备，工艺相当耗时。然而，使用查默斯的研究人员开发的方法，生产率比现有的最高技术提高了好几倍。
这项技术使用了纳米制造实验室中常见的无害化学物质和机器，这意味着更多的研究人员现在可以开始研究超构表面了。
罗利 - 北卡罗来纳州 由北卡罗来纳州立大学和布法罗大学开发的一项技术 - 人造化学家，集成了 AI 和自动化系统来执行化学反应，以提高研发速度，并加快制造溶液处理材料。
在概念验证实验中，研究人员展示了人造化学家能够在15分钟或更短的时间内识别并生产出定制的任何颜色的无机钙钛矿量子点（QD）。平台显示，他能够每天运行 500 个 QD 的合成实验。研究人员相信该数值可以高达 1000。
该人造化学家用“身体”操作实验并感知实验结果，用“大脑”记录和应用数据。大脑是一套 AI 程序，来描述由身体操作合成的材料的特征，并运用数据自主决定下一步实验条件的设定。大脑的决定基于他判断如何做能最有效地得到最能体现期望特性和性能指标的材料组成。
Milad 教授说：“使用人造化学家，您会给它一组所需的参数，这些参数是您希望最终材料具有的属性。人工化学家必须做好其他一切，如化学前体将是什么和合成路线，同时尽量减少这些化学前体的消耗。”
使用知识转移使人造化学家能够随着时间的推移变得更聪明，能更快地识别正确的材料。该技术存储从接收到的每个请求生成的数据，并利用这些数据来加快识别下一个候选材料的过程。研究人员测试了九种策略，以指导 AI 如何使用数据来决定下一个实验是什么。他们运行一系列请求，每次要求人造化学家识别一种最适合三个不同输出参数的 QD 材料。然后他们发现了一种策略，即使没有事先的知识，人造化学家也可以在 25 个以内的实验，或者大约一个半小时内确定最好的量子点。而一旦人造化学家有了先前的知识-这意味着它已经处理了一个或多个目标材料请求-它可以在10到15分钟内确定新性能的最佳材料。
知识转移策略还减轻了批到批的前体差异问题。人造化学家能迅速识别给定的初始化学前体的材料特性的边界，无需化学家和材料学家再浪费时间探索不同的合成条件。
人造化学家目前设计用于溶液处理材料，包括量子点、金属和金属氧化物纳米粒子以及金属有机骨架。由人造化学家实现的自主材料研发可以重塑材料开发和制造的未来。
浦项 - 韩国 一个联合研究小组开发了一项技术，使窗户能够根据外部湿度的数值改变颜色，而不需要供电。
研究人员利用壳聚糖基水凝胶开发了一种使用金属-水凝胶-金属谐振器结构的可变彩色滤波器，并将其与太阳能电池相结合，制成了一种自供电湿度传感器。研究人员发现，当壳聚糖水凝胶被制成金属-水凝胶-金属结构时，透过光的谐振波长是实时变化的，这取决于环境的湿度。这是因为壳聚糖水凝胶随着周围湿度的变化而重复膨胀和收缩。利用这一机制，该团队开发了一种湿度传感器，该传感器可以将光的能量转化为电能，它由一块太阳能电池和一个由金属-水凝胶-金属结构的超材料制成的水变波长滤波器组成，该滤波器根据外部湿度改变谐振波长。设计原理是将滤波器的谐振波长与那个使太阳能电池的吸收率迅速变化的波长相重叠。这种过滤器的设计是为了改变太阳能电池的光吸收量，这取决于水分的数量，并导致电的变化，最终检测出环境湿度。与传统的光学湿度传感器不同，新开发的传感器不考虑光的类型。 此外，它不仅没有外部电源，还可以根据过滤器的颜色预告湿度。这是一种传感技术，可以在像核反应堆这样的地方使用，那里是人和电力都无法到达的。它将创造更大的协同作用，如果与互联网技术相结合，如湿度传感器的激活，或是智能窗户根据外界湿度水平改变颜色。
查洛特斯维尔 - 弗吉尼亚州 由弗吉尼亚大学（UVA）和德克萨斯大学-奥斯丁分校（UTAustin）的工程师开发的用于 2μm 探测的低噪声雪崩光电二极管（APD）可以为激光雷达（Lidar）应用提供高功率、人眼安全的光成像、探测和测距。根据团队的说法，新的APD已经展示了破纪录的性能。
为了建立 APD，UTAustin 的工程师使用分子束外延来生长由铝、铟、砷和锑组成的数字合金。研究人员说：“这种合金结合了长波长灵敏度、超低噪声和现有低噪声 APD 材料技术所不具备的一种能力，那就是达到低暗电流所需的设计灵活性。我们能够控制晶体生长过程到单原子尺度，使我们能够合成自然界中没有的晶体，并设计它们同时具有有效光探测必需的基本材料特性的理想组合。在需要高分辨率传感器的应用中，APD 可用于紧凑、高灵敏度的 Lidar 接收机，这些传感器可以检测从遥远物体反射的大幅衰减的光信号，如机器人、自动驾驶车辆、广域监视和地形测绘。人眼安全问题一直是这些下一代 Lidar 系统被限制采用的原因，因为 Lidar 所需的更高激光功率会增加人眼受伤的风险。该 2μm 窗口对 Lidar 系统是非常理想的，因为它被认为是人眼安全的，并扩大了探测范围。我可以想象我们的雪崩光电二极管影响许多得益于高灵敏度探测器的关键技术。”
有关APD的工作正在转移到半导体公司 IQE 进行铸造服务，并转移到 Lockheed Martin 公司开发具有读出电路的光电二极管阵列。
这两所大学未来的工作将集中于在近室温下实现 APD 的低噪声工作，将工作波长进一步扩展到红外，并将灵敏度推到单光子水平。
作者 - Hank Hogan 当光子学应用中的各种材料协同工作时，将会出现具有更佳混合性能的方法。
混合方法既成功又具有商业重要性的一个应用就是数据中心。这些中心越来越多地使用基于混合光子学的光学收发器进行数据通信。 硅和相关的氧化物或氮化物提供光波导功能，其他半导体处理不同的任务。例如，在接收机中使用 InP 或 Ge，缘于其良好的光探测性能。而在发射器中使用 InP 作为非制冷激光源，是缘于其激发能力。硅基为电子和光学元件的集成提供最好的平台。由于光不能从硅中产生，所以混合材料方法是实现成功和完备功能集成的唯一可能性。
与硅的集成
InP，一种 III-V 族半导体，可以各种方式集成到硅光子芯片中。英特尔公司在2或3英寸的晶片上生长 InP。晶片被切成小块集成到硅光子芯片中的特定点上，这些光子芯片是在300毫米的晶片上制造的。“当两种材料集成到仪器，就会显现出优点，” 英特尔硅光子产品部总经理 Robert Blum 说，“除了全套的无源硅光子器件外，我们还可以集成 InP 光电二极管和有源器件，如不同波长的激光器。这种集成能力使得在同一芯片上复用多个激光器和数据通道成为可能。多个激光器使数据速率更高，例如，四个 25-Gb/s 的通道可以组合创建 100-Gb/s 的连接。随着单个信道速度的提高，复用实现的总带宽也会增加。电子芯片和光子芯片都可以在很大程度上由硅建造，但各自的制造技术不同。一个解决方案是将所有的东西-混合光子学和电子学-组合成一个单独的封装，使光子学尽可能接近电子学，这是英特尔在创建 12.8-TB/s 的网络交换机时遵循的一种方法。这种用于数据通信和传感的封装方法是英特尔的一大焦点。”
该公司正在关注新兴的光子材料，Blum 认为，与硅的集成可以在传感、生物技术和其他领域开辟一系列新的应用。
钙钛矿的优势
潜在的新光子材料是金属卤化物钙钛矿。这是一类化合物，本身就是一种混合材料。例如，检测或发射光的钙钛矿可能以有机-无机的混合结构含有铅或金属类碘。金属卤化物钙钛矿是光子学应用中的新秀，但它们提供了显著的优势。它们的混合特性允许光学、电子和其他特性的调谐。此外，金属卤化物钙钛矿是可用溶液处理的，这意味着它们可以通过喷墨或自旋涂覆沉积在可选的柔性衬底上。这些钙钛矿还是耐缺陷的，因此加工硅或其他半导体所需的极端清洁度是不必要的。
新材料已经以混合光子学的形式出现：串联光伏电池。在这种接近大规模商业生产的方法中，钙钛矿层位于硅太阳能电池上。顶层吸收短波长的光，而硅底层吸收更长的波长，其结果是光电转换效率高于可能。这可能使混合解决方案值得溢价。
商业光伏必须符合严格的寿命和可靠性准则，包括几十年的功能标准。这一要求 - 再加上需要超越现有的、主要是纯硅技术 - 使得光伏制造成为挑战。
传感和发射
金属卤化物钙钛矿在光伏电池中中工作得很好，因为这种材料很容易在广谱范围内吸收光。同样是这种属性，意味着钙钛矿可能在另一个领域发光：传感。这种探测可以在可见的情况下进行，而铅的存在可能意味着混合材料将擅长感知 x 射线。铅比硅或其他半导体更好地阻止这些光子，使基于钙钛矿的潜在更优越和更紧凑的 x 射线探测器成为可能。这些材料很好地吸收 x 射线，可以高效发射光子，也可以高效传输 x 射线产生的电荷。它们很容易制造-从纳米材料到薄膜和块状单晶，使用可按比例缩放的溶解工艺。
北卡罗莱纳大学应用物理科学黄教授成立了一家公司 PerotechInc.，将这些材料商业化。该公司产品的目标之一是通过开发和使用更有效的检测器来减少给病人的 x 射线剂量。由于柔性表面可以涂覆钙钛矿，因此使用这种混合材料可能引导出新型 X 射线探测器的诞生，这种探测器可以包裹在病人身上。据黄教授讲，需要更好地理解的一个方面是钙钛矿探测器的辐射剂量稳定性。理想情况下，在反复暴露于 x 射线后，探测器的响应没有差别。但 x 射线是有能量的，可能导致探测器发生物理变化，并导致探测器对 x 射线反应的改变。然而，黄教授说，钙钛矿具有自恢复能力，这可能会消除任何损害。他补充说，需要在这一领域进行更多的研究。
除了传感光，钙钛矿还可以发射光，通过对入射光的下转换或对电流的响应。位于英国牛津的 Helio Display Materials 创业公司正在将这项技术商业化。
波长转换
钙钛矿具有非常高的吸收和转换效率，只需要薄薄一层就能充分转换蓝光。此外，钙钛矿具有非常窄的发射光谱，能最大化发射光色域。与现有的方法相比，钙钛矿可以提高光转换效率高达70%，同时改善显色性。一个结果可能是便携式显示器设备具有更长的运行时间，提供更高质量的图像。
钙钛矿还是电致发光材料，这意味着它有潜力与 OLED、量子点和其他创造自发光技术竞争。有机-无机混合材料可能具有优势，因为只需要薄薄一层，而且这个薄层可以当溶液处理，也可以通过喷墨打印。钙钛矿的输出光谱是由它的化学成分来定义的，这使得它比相对更容易大规模制造。
然而，没有一种材料是完美的。对于钙钛矿而言，铅的存在是最高性能配置中的一个问题。所幸的是，由于钙钛矿薄膜很薄，所以铅的数量很小。Helio 公司 CEO Jones说，他的公司的产品将满足限制铅在电气和电子设备中使用的欧洲 RoHS 要求。对于大多数其他应用，钙钛矿可以被很好地封装，使铅几乎不可能逃逸到环境中。而且，相关研究还在进行中，以进一步减少光伏应用中任何潜在的泄漏。
此外，钙钛矿可能存在寿命问题，特别是当电流流过材料时。这一领域正在掀起研究热潮。Helio 公司预计有一个合格的制造过程，将逐步提高工艺，准备在2024年初批量生产。
如果这些努力成功，混合光子学领域将有新的材料假如。各种应用程序将受益，因为混合材料比任何单一材料更接近完美的理想。
结构光 是指在光的所有自由度内对其进行裁剪和整形。结构光的最新发展支持光通信、增强分辨率成像以及光捕获和光镊等应用。手性光是结构光场中最重要的一类，它们携带自旋角动量（每个光子±ℏ，取决于手性）和轨道角动量（OAM，每个光子ℓℏ，其中ℓ是整数）。
这一领域的一个公开挑战是任意控制光源的手性 - 自旋和轨道。到目前为止，由于基本对称性限制和光学元件的空间分辨率限制，研究进展受到阻碍。前者的结果是在总角动量（TAM）中总是表现为零；后者限制了纯度和效率，同时产生了较高的 OAM 值。已知具有高角动量的超手性光在许多基础和应用研究中非常重要。对光源的任意角动量控制仍然是难以捉摸的。
据信，本文所提到的研究工作是第一次证明激光器可以用一个腔内超构表面产生任何期望的角动量状态。研究展示了量子数达到 100 的新的高纯度 OAM 态，和各独立的 OAM 态上同时激发的非对称矢量涡旋光束，独立 OAM 态的数量多到其各自的量子数相差90（从 10 到 100）。这台激光器在可见光波段轻松输出，提供了一个小型的、功率可缩放的光源，利用腔内结构物质创造任意手性状态的结构光。结果为基于超构表面激光器的创新和应用开辟了新的途径。
超构表面 J 板
像 Q 板这样的技术是自由空间中产生 OAM 载波光束的常用方法之一。Q 板，基于 Pancharatnam-Berry（PB）相位，执行转换 ∣L>→ei2qφ∣R> and ∣R>→e−i2qφ∣L>，这里，圆偏振（自旋）光被翻转到其输出态具有相反的OAM，±2qℏ。因此，这些技术只产生两种可能的输出状态，在一个自旋态上添加一个固定数量的 OAM，并将等量且反向的 OAM 添加到相反的自旋态上，结果就是 TAM 等于 0。
Q 板主要是利用液晶实现的，例如空间光调制器（SLM），它允许产生动态衍射图案。然而，相对较大的像素尺寸限制了光束质量、效率和产生高 OAM 态的能力。
相反，超构表面是由亚波长人工结构组成的，可以根据需要进行相位和偏振的空间调制，让高效的自旋 - 轨道转换和高拓扑荷数的涡旋光束的产生得以实现。超构表面 J 板，J 指的是光子的 TAM，是一个既基于传播相位又基于 PB 相位的超构表面器件，执行变换 ∣λ+>→eimφ∣(λ+)*> 和 ∣λ−>→einφ ∣(λ−)*>。输入量∣λ+> 和 ∣λ−> 是正交基，并且相应的输出量 ∣(λ+)*> 和 ∣(λ−)*>具有相反的手性。值得注意的是，这种转换适用于任意正交基（任意椭圆偏振态）和赋予两个任意的 OAM 态（mℏ 和 nℏ 可以是独立的），克服了Q板的限制。激光腔中使用的 J 板是以熔融玻璃为衬底、以截面呈矩形的非晶态 TiO2 纳米柱组成的介电超构表面组成的。每个柱的高度为600nm，而宽度和长度（wx, wy）发生变化，以便对 532nm 传输光施加不同的相位延迟。更具体地说，每个纳米柱赋予传输光一个完整的相位延迟，以及 x 和 y 分量场之间的相位延迟差。相位延迟差只取决于纳米柱的形状，称为“形成双折射”。请注意，对称截面，如正方形或圆形，不显示形成双折射。
图 1a 显示了 J 板中心部分的示意图，该部分将两束正交线偏振光（∣λ+> = ∣H> 和 ∣λ−> = ∣V>)）转换为具有相同偏振态和 OAM((m, n) = (1, 5)) 的涡旋光模式。图 1b 显示了在线性极化基础上为OAM(m，n) =（10，100）设计的另一个 J 板的倾斜扫描电镜图。光传输通过超构表面的纳米柱传播后，导致光的几何相位被改变。这会使输出光的波前产生螺旋变化。因此，就能在产生所谓的交织扭曲光的同时控制它的偏振。
超构表面激光器
图2. a.激光腔示意图，包含腔内非线性晶体（KTP）、起偏器
（Pol）和超构表面（J 板），由红外泵浦源激发，从输出耦合镜
发射绿光；b.OAM 阶数为 10 的激光的计算态；c.超级位置激光
的计算态；d.OAM 阶数为 100 的激光的计算态
一般情况下 (m, n) = (10, 100)，所制作的超构表面用来产生非对称 OAM 态。图 2b、c 和 d 显示了 J 板旋转不同角度时的计算光束轮廓。这种超扭转光的产生，OAM状态为 ℓ=100，到目前为止还没有从其它激光中观察到。超构表面分辨率（nm 级）使创建这些具有更高质量的模式成为可能。Q 板和 SLM 这样的技术甚至还没有接近这些 OAM 值，更不用说纯度了。此外，超构表面激光器的输出状态可以包含很大的 OAM 差值，可达 Δℓ=90，这极端违反了以前的对称自旋-轨道激光器件。另一个有趣的特点是，当这些模式从激光器中出来时，它们的尺寸实际上是非常不同的。然而，当它们绕腔运行时，它们会收敛到类似的形状和大小，在那里它们经历了光学增益。这使相干模式 - 激光的一个明显标志 - 得以实现，尽管实际上光束看起来在空间上是分开的。
由于许多原因，超构表面激光器具有吸引力。例如，它可以用于不同的设计，这意味着它可以被定制，以更好地适应它的应用场合的物理参数。由于超构表面器件具有高损伤阈值，因此可以加长增益内腔以产生更高功率的大型激光器，亦或压缩以利用单片/微芯片设计。在这两种情况下，谐振模式都将由泵浦源的偏振态所控制，因此，除了超构表面本身，不需要额外的腔内元件。
结论与机遇
图3. 超扭曲光的应用. a.选择性光阱和光镊；b.用于纳米
制造的光学扳手；c.光通信和量子协议
用扭曲光控制手性物质，是目前的一个研究热点。要达到这个目的，就需要高扭曲度的光。非对称输出模式因光束的不同相关散射力，还可应用于光学陷阱，来分离细胞或粒子。这种类型的光还可用作光学扳手，用于纳米制造（如图 3b 所示）。此外，信息可以被打包成用于光通信的状态(如图 3c 所示)，并被用于量子协议。
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