大视场、单细胞分辨率的双光子与三光子显微镜用于深层和广域成像 研究背景与问题提出 多光子显微技术（Multiphoton Microscopy, MPM）是深组织成像的强大工具，尤其在活体脑功能研究中具有不可替代的地位。然而，传统的双光子显微镜（Two-Photon Microscopy, 2PM）虽然能够实现较大的成像视场（Field of View, FOV），但其成像深度通常局限于浅层皮质区域，难以穿透到大脑的深层结构。而三光子显微镜（Three-Photon Microscopy, 3PM）尽管可以实现更深的成像，但由于热损伤限制了激光重复率，导致其视场较小且成像通量较低。因此，如何在保持高分辨率的同时实现大视场（Large Field of View, LFOV）和深层成像，成为多...

超容量完美矢量涡旋光束的实现 研究背景与问题提出 光学涡旋（Optical Vortex）以其独特的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）特性，在光学复用、粒子操控、成像、全息显示、光通信和光学加密等领域展现了巨大的应用潜力。然而，传统的涡旋光束通常采用全局相位调制方法生成，其拓扑荷（Topological Charge, TC）单一且强度分布均匀，限制了空间信息的进一步挖掘。此外，尽管已有研究尝试通过引入偏振等自由度增强信息容量，但局部空间强度信息仍未被充分探索。 为突破这一限制，清华大学深圳国际研究生院、香港理工大学、暨南大学等机构的研究团队提出了一种全新的“空频拼接超表面”（Spatial-Frequency Patching Metasurface）...

超快纳米光谱与成像技术的最新进展：基于探针显微镜的应用 研究背景 近年来，随着光学显微技术的飞速发展，科学家们对纳米尺度物理现象的理解取得了显著进步。然而，传统的远场光学显微技术受限于光学衍射极限，难以实现亚波长级别的空间分辨率。与此同时，量子材料、二维材料（2D Materials）、有机分子材料等新型材料的研究需求日益增加，这些材料中的光-物质相互作用往往发生在极短的时间尺度（飞秒至纳秒）和极小的空间尺度（纳米至埃级别）。因此，开发能够同时提供高空间分辨率和高时间分辨率的显微技术成为科学研究的关键。 为了突破传统光学显微技术的限制，扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）逐渐崭露头角。特别是结合超快光学技术的SPM方法，如超快散射型近场光学显微镜（U...

量子成像技术新突破：基于非线性超表面的光子对生成与应用 研究背景与问题 近年来，量子成像技术因其在低光子通量、超越经典衍射极限分辨率和高安全性的潜在优势而备受关注。然而，传统的量子成像系统依赖于体块非线性晶体（如BBO或PPKTP），这些材料的厚度通常在毫米级别，导致其在横向动量匹配条件下的发射角度范围受限，从而限制了成像视场（Field of View, FOV）和分辨率。此外，传统晶体的可调性有限，难以实现多波长操作或快速光束扫描。 为了解决这些问题，研究人员将目光转向了超表面（metasurfaces）。超表面是一种亚波长厚度的平面光学器件，通过设计纳米结构可以增强和定制非线性光学过程。此前的研究已经证明，非线性超表面能够显著增强纠缠光子对的生成效率，并实现空间、偏振和光谱纠缠的精确调...

非局域色散在光学活性材料中的应用研究 研究背景与问题提出 近年来，科学家们在探索光与物质相互作用方面取得了显著进展，特别是在天然晶体中发现的双曲色散（hyperbolic dispersion）等新现象。然而，当前的研究主要集中在材料的局域光学响应上，这种响应由介电张量描述，且不包含空间色散效应。这意味着，传统研究通常局限于线性偏振特征的现象，而忽略了其他更为复杂的光学行为。例如，局域光学响应的时间色散可以通过Drude-Lorentz模型解释，但其强时间色散往往伴随着较大的光学损耗，这限制了可探索现象的范围。 为了克服这些局限性，研究人员开始关注非局域光学响应，特别是光学活性晶体（如α-石英）中的非局域效应。这类晶体具有螺旋对称性，能够展现出无损耗、超色散的特性，与传统光学响应函数相比具有...