——应用光学国家重点实验室

坚持定位 发展特色

应用光学国家重点实验室（以下简称“应光室”）是我国设立最早的国家重点实验室之一，依托单位为被誉为“中国光学的摇篮”的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。应光室的主要创建者是新中国光学事业的奠基人、两院院士王大珩先生。在王大珩先生等一批老一辈科学家的倡导和主持下，应光室于1986年启动建设，1987年获国家批准，1990年顺利通过原国家计委主持的验收。

30年来，应光室的研究工作坚持始终如一的定位。以高精度、超高精度为主线，在应用光学的主要前沿领域中，一是解决国家战略需求和重大产业、重大工程、重大科学装置中的基础性关键技术问题，攻克对应的技术难关；二是在原理方法、工程技术、仪器装备和集成示范等方面做出具有鲜明特色的创新研究成果，并不断推向应用；三是培养应用光学及相关领域的高水平人才。

应光室以超高精度光学加工、检测等技术为核心，面向国家重大战略需求和应用光学前沿技术发展，开展高精度、超高精度应用光学仪器、设备的关键技术攻关与装备研发。坚持满足国家战略需求与学科前沿技术协调发展的实验室建设目标。致力于把实验室建设成为我国应用光学领域的创新研究基地和人才培养基地。长期以来，应光室形成了3个主要的研究方向：短波光学、空间光学，以及前沿光学技术与应用。

在短波光学上：应光室面向高端光刻机国产化与产业化的迫切需求，开展代表当前应用光学发展极限水平的深紫外/极紫外（DUV/EUV）投影光刻光学技术研究；面向外层空间对地球的大气环境监测、短波空间成像探测等重大工程应用需求，开展空间紫外/极紫外（UV/EUV）遥感探测技术研究，解决核心单元器件研制、空间极端环境下的可靠性与稳定性等难题；面向第三代同步辐射软X射线光谱分析的科学研究需求，重点开展高分辨能力光栅单色器和双晶单色器关键技术研究，高精度大型压弯机构、高性能KB镜聚焦系统、高精度光束整形设备研究。

在空间光学上：应光室开展航天对地高分辨率成像技术研究；开展航天高分辨率高光谱遥感技术研究；开展空间对接瞄准的空间目标照明与成像技术研究；面向国家空间引力波探测计划需求，开展超高精度空间激光干涉测量技术研究，发展皮米精度计量、检测与标定新技术与仪器，构建超高精度研究团队与技术体系。

在前沿光学技术与应用上：应光室面向大气湍流校正和光场调控技术的需求，在液晶光学方向开展高速液晶材料、液晶光学调控器件及自适应光学系统的研究及其应用；面向生物医学领域的技术需求，在微纳器件与系统方向开展微纳传感、光谱、超分辨成像等关键技术和基础理论研究；此外，实验室开展了计算光学成像技术、等离激元光子学等新的学科方向，分别开展了云成像光学系统研究、压缩感知成像技术、采用等离激元增强吸收的高性能非制冷红外探测器等研究工作。

从精细至极的短波光学，到观测视野广阔的空间光学，再到以创新为动力的前沿光学技术与应用，应光室咬定青山，面向国家重大战略需求和应用光学前沿技术发展，向一个又一个难题发起冲击，并收获丰硕成果——“嫦娥三号”月基极紫外相机、“天宫二号”紫外临边成像探测仪、“风云三号”广角极光成像仪、离轴三反光学系统、“风云三号”太阳绝对辐射计、便携式的全血多参数快速自动探测微流控分析系统与仪器、世界国际首套工程化应用的液晶自适应光学系统……为我国精密光电仪器的发展作出了突出贡献。

面向未来 创新实干

2021年，应光室再接再厉，脚踏实地做科研，继续贡献新成果。

傅里叶叠层显微成像（Fourier ptychographic microscopy，FPM）是近年来发展起来的一种具有高分辨率、大视场的计算成像技术。应光室提出单次全视场重建傅里叶叠层显微成像。该工作首次将LED阵列照明光源与远心镜头结合在一起提供多角度的、等光强的平面波照明，实现了单次全视场高分辨率图像重建。打破了传统傅里叶叠层成像中多次重建的限制，使傅里叶叠层成像的高帧率动态探测成为可能。

增加光与气体相互作用的有效光程是提高激光气体探测系统测量精度、灵敏度的关键技术之一。在应光室开放课题的资助下，山东大学晶体材料国家重点实验室、应光室和美国得州农工大学（Texas A&M University）天文与物理学院的研究人员在长光程吸收池及激光光谱气体探测的合作研究取得新进展。他们提出了一种基于共焦腔原理的中红外长光程气体吸收池，利用该共焦腔原理可操控激光光束在气体吸收池内的传播长度（目前已实现580米有效光程）。研究者利用该吸收池，结合激光吸收光谱技术、波长调制技术，以及先进数字滤波技术实现了一种高灵敏度的甲烷气体传感器。该气体吸收池的研制为下一步开展基于中红外光学的高灵敏、快速人体呼气测量研究奠定了基础。

因为石墨烯优异的性质，基于石墨烯的光电探测器引起了人们的广泛关注。然而由于石墨烯无带隙的性质，石墨烯光电探测器的暗电流通常非常高，造成器件具有低的开关比和高的背景噪声。因此，如何将暗电流降低到较低水平并保持优异的光电检测能力是石墨烯光电检测器实际应用中需要解决的主要障碍。应光室提出了一种构建面内p-n-p同质结降低石墨烯光电探测器暗电流的有效途径。该器件在中红外波段表现出出色的光响应和极低的暗电流。基于石墨烯面内同质p-n-p结的红外光电探测器的实现为石墨烯-硅集成宽带光学器件的发展提供了思路。

为了解决当下虚拟现实技术在立体感和舒适性等方面的问题，应光室提出了一种基于曲面屏和视差光栅的显示系统，并从理论上详细研究了该显示系统的显示原理和特点。它可以在不戴任何眼镜的情况下提供360°的水平视场立体图像，以获取沉浸式的自由立体效果。仿真和实验结果表明，该显示系统在观察区域内可获得无串扰的显示效果。相关研究为自由立体显示技术的改进和虚拟现实技术的应用提供了一些新的思路。

红光AlGaInP外延层通常生长在GaAs衬底上，而由于GaAs衬底吸光且导热系数小，限制了红光micro-LED器件的性能。应光室使用晶圆键合和衬底转移技术，成功制备出位于硅衬底上的像素密度达到2000PPI的红光micro-LED阵列器件。这种高密度硅衬底AlGaInP红光micro-LED阵列器件具有稳定的光谱特性、色彩显示能力，出色的电学和光输出能力，未来将在可见光通信、全彩显示和生物医疗等领域发挥重要作用。

基于Fano共振的纳米材料由于其优异的光学特性，在高灵敏度生物传感、快速响应的光学开关、纳米光电器件等领域应用广泛，逐渐成为光调控领域的发展趋势。然而，由于金、银等金属材料中自由电子的振荡导致了很强的辐射损耗，限制了其在纳米光子学中的应用，应光室基于这一背景，提出了一种中长波红外波段8～12μm（25～37.5THz）的光学折射率传感器。该传感器基于“吉祥结”结构阵列的法诺共振，利用有限时域差分方法分析了其在红外波段的反射光谱和近场电磁场分布。该结构对周围物质的折射率变化敏感，传感灵敏度高达986nm/RIU，平均品质因数为29。同时，该结构对入射光电场的偏振方向不敏感，该研究在光学传感、生物传感、环境监测等方面具有重要意义。

以光之名，创新奋进。应用光学是支撑当前及未来社会发展的关键性应用基础研究学科之一，其发展与国民经济、国防建设和高技术产业有着重大关联。相信在未来，应用光学国家重点实验室还将继续创造辉煌。