文献阅读2025年8月

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文献标题: Quantum Imaging Using Spatially Entangled Photon Pairs from a Nonlinear Metasurface 基于非线性超表面的空间纠缠光子对实现的量子成像

量子成像利用纠缠光子对可实现超低光子流下的成像、安全通信和分辨率提升。然而，传统非线性晶体受限于纵向相位匹配，导致横向动量范围窄、成像视场受限且可调性不足。近年来，非线性超表面凭借亚波长厚度和可设计谐振特性展现出增强自发参量下转换的能力，但其在实际量子成像应用中的潜力仍未得到验证。研究内容：作者提出并实验证明了一种基于非线性超表面的量子成像方案：在锂铌酸薄膜上刻蚀二氧化硅亚波长光栅，实现空间纠缠光子对的高效产生与角度可控发射。实验中，采用桶探测器与1D单光子探测阵列结合，利用光子关联实现2D目标图像重建。创新点：一是全光学扫描成像，通过泵浦波长调谐实现角度扫描，无需机械位移，具备潜在超快性。二是亚波长厚度光源，超表面体积远小于传统非线性晶体，适配集成化与大口径应用。三是性能突破，同时实现大视场、鬼成像与全光学扫描的结合，显著超越传统SPDC晶体的限制。文章结论该研究首次将非线性超表面引入量子成像，结合鬼成像与全光学扫描，展示了在红外波段实现高效二维量子成像的可能性。该方案在视场、分辨率和紧凑性方面均优于传统晶体系统，并为量子对象跟踪、量子LiDAR等新应用提供潜力。启发在于可探索多波长泵浦，实现多色量子成像与对象跟踪。结合高Q超表面设计有望进一步提高光子对产生效率，推动实用化量子通信与传感。

文献来源: eLight (2025) 5:2，DOI:10.1186/s43593-024-00080-8 作者：Jinyong Ma, Jinliang Ren, Jihua Zhang, Kenneth B. Crozier, Jiajun Meng, Caitlin McManus Barrett, and Andrey A. Sukhorukov

报告人：赵健

文献标题: Two types of corner states in two-dimensional photonic topological insulators 二维光子拓扑绝缘体中的两种角态

研究背景指出拓扑绝缘体作为一类新型的物质态，因其独特的拓扑性质而备受关注。这些材料的边缘态受到拓扑保护，展现出良好的鲁棒性和独特的反向散射抑制特性，使其在光学领域具有广阔的应用前景。近年来，高阶拓扑绝缘体（HOTIs）的研究成为热点，这类材料不仅具有传统的体-边界对应关系，还能产生更低维度的无能隙边缘态。这些低维度的边缘态为操控光波提供了新的自由度，极大地推动了新型光子器件和集成拓扑器件的发展。本文旨在设计一种基于C4对称晶格的二维二阶拓扑光子晶体，并验证其能够产生两种类型的角态（一种拓扑角态和一种平凡角态）。研究内容方面本文提出了一种基于C4对称晶格的二维二阶拓扑光子晶体。通过调节介质柱之间的距离，实现了结构的拓扑相变，并发现了两种角态（一种拓扑角态和一种平凡角态）。设计了基于C4对称晶格的光子晶体，通过改变介质柱之间的距离（d1和d2）来调控晶格的拓扑性质。这两个参数控制了晶格的单元间耦合强度（Cter）和单元内耦合强度（Ctra）。通过数值模拟，研究了光子带结构随参数Δ（定义为(d1–d2)/3）的变化。发现当Δ从负值变为正值时，第三和第四能带在布里渊区的X点处经历了从简并到非简并再到简并的转变，从而实现了拓扑非平凡和拓扑平凡带隙的转换。定义了基于二维Zak相的拓扑不变量，用于表征光子晶体的拓扑相。通过将拓扑非平凡和拓扑平凡的光子晶体组合，验证了边缘态的存在。创新点一：首次首次在二维光子拓扑绝缘体中发现了两种角态（一种拓扑角态和一种平凡角态），丰富了光子系统中角态的研究。创新点二：通过调节介质柱之间的距离，实现了从拓扑平凡相到拓扑非平凡相的转变，为设计具有特定拓扑性质的光子器件提供了新的方法。结论：本文通过理论设计和数值模拟，成功实现了一种基于C4对称晶格的二维二阶拓扑光子晶体，并验证了其能够产生两种角态（一种拓扑角态和一种平凡角态）。拓扑角态具有较强的鲁棒性，能够在存在缺陷的情况下保持稳定，而平凡角态则对缺陷更为敏感。此外，通过调整参数Δ，可以实现从拓扑平凡相到拓扑非平凡相的转变。这些发现不仅丰富了光子系统中角态的研究，还为设计具有特定拓扑性质的光子器件提供了新的思路和方法。启发方面，通过调节介质柱之间的距离，可以实现拓扑相变，为设计具有特定拓扑性质的光子器件提供了新的方法。

文献来源: Journal of Applied Physics https://doi.org/10.1063/5.0039586 作者：Mingxing Li, Yueke Wang, Mengjia Lu, and Tian Sang 发表日期: 24 January 2021

报告人：俞志翔

文章标题：Quantum dot LEDs emitting broadband vortex beams《发射宽带涡旋光束的量子点LED》

文章概述：结构化光束源于精心设计的干涉效应，其合成需依赖相干光，且目前已报道的所有这类光源均基于相干激光腔。本文提出一种非激光光源，可在电注入条件下发射定向涡旋光束。该光源的结构为胶体硫化铅（PbS）量子点 LED，其集成的光子环境具备两种互补功能：一是使发射体处于具有扩展空间相干性的径向光子模式中，二是将这些模式以结构化方式泄漏到自由空间。我们研发的电泵浦光源在量子点的电致发光（EL）光谱范围内呈现相位奇点，最终在近红外波段实现了带宽为 300nm 的涡旋光发射。文章的研究内容：本文通过实验演示了可发射定向涡旋光束的量子点 LED。该结构极为紧凑，利用胶体量子点宽的自发辐射光谱，在近红外波段产生带宽为 300nm 的光学涡旋。尽管宽带涡旋也可通过在传统 LED 及其他非激光光源外部放置光学元件合成，但本研究展示了一种新路径：通过直接作用于光源内部的自发辐射过程，实现高级光束结构化。这一方法有助于将其集成到更复杂的系统中，并为需要眼部安全和暖色调的应用场景，提供了结构化激光的潜在替代方案。文章的实验原理：使胶体量子点在金（Au）膜表面刻印的螺旋全息图中心，发射具有扩展空间相干性的径向表面等离激元。螺旋的节距经过计算，可使表面等离激元将光衍射到垂直于表面的中空圆锥内。螺旋中心的拓扑奇点确保光束以相位奇点和光学涡旋特有的螺旋波前发射。文章的结论：可发射定向宽带涡旋光束的紧凑量子点 LED。通过两种不同结构，证明了如何协调自发辐射精准调控与电泵浦这两个看似矛盾的条件。该方法可轻松扩展，通过采用多分支螺旋全息图，制备出具有更高拓扑电荷的涡旋光束 LED。文章的优点：首次用胶体 PbS 量子点 LED（非激光源）实现电注入下的定向涡旋发射；该设计颠覆了 “涡旋 = 激光” 的认知，利用 LED 的自发辐射特性，结合光子环境调控，让非相干光源也能输出结构化涡旋光。且设计四个干涉型 LED，无需外部参考光即可提取相位，证明发射光束为涡旋光。

文献来源：Nat Commun 16, 4974 (2025). 文章作者：Guillaume Boulliard1, Iännis Roland1, Domitille Schanne. et al.

报告人：丁玺铮

文献标题：Dispersion-engineered metasurfaces reaching broadband 90% relative diffraction efficiency实现宽带90%相对衍射效率的色散工程超表面

传统超表面因组成纳米结构色散不同，宽波段效率从80%-90%骤降至约20%，此前解决方法如柱孔结合结构存在刻蚀负载效应，pb相位超表面则偏振敏感且宽波段效率下降，难以满足应用需求。研究内容：构建含约2万种各向异性纳米结构的库，筛选出8种色散相近、可覆盖0-2π全相位的结构；据此制备宽带偏振不敏感超表面光栅，450-700nm波段平均相对衍射效率近90%，450nm和700nm处比传统纳米柱光栅分别高43%、34%；还实现NA0.15和0.45的消色差超透镜，相对聚焦效率显著提升，另有多功能超透镜可将平面波聚焦为甜甜圈光斑，粒子群优化后结构平均相对衍射效率达91.9%。创新点：首次通过色散工程使多种纳米结构色散一致且覆盖全相位，实现宽带偏振不敏感高相对衍射效率，同一套结构可适配光栅、超透镜等多种器件，同时抑制0级光减少噪声。文章结论：8种色散工程纳米结构能实现450-700nm宽带近90%相对衍射效率，适配多种超表面器件，优化后效率更高，证实其解决传统超表面宽波段效率低问题的可行性。启发：可推广至光刻、显微、AR/VR等领域，未来缩小纳米结构间距可提升短波长性能。

文献来源：Nature Communications| (2023) 14:2544.作者：Wei Ting Chen1,4, Joon-Suh Park1,4, Justin Marchioni1,2, Sophia Millay1,3, Kerolos M. A. Yousef1 & Federico Capasso

报告人：林荣培

文献标题：On-chip multifunctional metasurfaces with full-parametric multiplexed Jones matrix 具有全参数复用琼斯矩阵的片上多功能超表面

背景：本研究针对片上超表面在光场多维调控中存在的核心瓶颈——等效琼斯矩阵可控参数有限、难以实现高容量复用的问题开展研究。提出了一种基于迂回相位（detour phase）与几何相位（geometric phase）协同调控的四元超胞（four-element supercell）设计策略，在绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台上实现了琼斯矩阵的全参数调制。传统片上超表面受限于对称性和幺正性，其琼斯矩阵最多仅能实现6个独立参数，而本研究通过打破对称性和引入超胞干涉效应，首次在单层超表面上实现了包含8个独立参数（四个复矩阵元）的非对称、非幺正琼斯矩阵，突破了现有调制自由度上限。创新：在于提出了一种多相位机制联合调控的超胞结构。通过同时利用纳米柱的位置偏移（迂回相位）、旋转角度（几何相位）和尺寸调控（传播相位），并结合遗传算法进行优化设计，实现了对正向与反向传播导模的独立Jones矩阵调控。实验验证：研究团队成功制备了该超表面结构，在1550 nm波段演示了四组独立的振幅-相位通道，分别对应不同传播方向与偏振态的导模激励，输出了八幅独立的纳米印刷与全息图像，清晰验证了全参数调制能力。通过引入传播相位，成功解耦了正、反向传播导模所对应的琼斯矩阵之间的共轭关系，实现了方向复用（direction multiplexing），在四个传播方向（±x, ±y）上展示了八幅不同的全息图像，显著提升了片上信息复用容量。该研究为高维光场调控与片上高容量光学互联提供了全新的技术路径。其全参数琼斯矩阵调制框架可兼容谐波策略、相位优化等多种方法，进一步拓展复用维度。

文献来源：Nat Commun 15, 8271 (2024) 作者：Jitao Ji, Jian Li, Zhizhang Wang, Xueyun Li, Jiacheng Sun, Junyi Wang, Bin Fang, Chen Chen, Xin Ye, Shining Zhu & Tao Li

报告人：方伟康

文献标题：Self-Powered and Broadband Bismuth Oxyselenide/p-Silicon Heterojunction Photodetectors with Low Dark Current and Fast Response 《自供电、宽带、低暗电流、快速响应的Bi2O2Se/p型硅异质结光电探测器》

石墨烯（零带隙）、黑磷（化学性质不稳定）、过渡金属硫族化合物（TMDs，电子迁移率低）等传统 2D 材料，因自身缺陷限制了在光电探测器中的广泛应用。Bi2O2Se具备适中带隙、良好空气稳定性和高电子迁移率，可覆盖紫外 - 近红外（UV-NIR）波段探测。本研究开发了一种Bi2O2Se/p-Si 异质结并设计出自供电、宽带光电探测器。该器件通过改进的化学气相沉积（CVD）法制备高质量Bi2O2Se纳米片（以Se粉替代 Bi2Se3减少缺陷），结合 p-Si 形成异质结，实现了低暗电流（10-10 A，无需栅压）、超快响应（2.6 μs）和高探测率（最高 4.43×1012 cm Hz1/2 W-1，980 nm 处），可在365-1550 nm（紫外 - 近红外）波段实现自供电探测，同时具备高稳定性（2个月性能无衰减）和可重复性，其综合性能优于多数现有Bi2O2Se基光电探测器，在集成电路、能源开发、生物医学等领域具有应用潜力。内容：设计开发了一种Bi2O2Se/p-Si 异质结并设计出自供电、宽带光电探测器，通过异质结的内建电场对光生电子-空穴对实现高效分离，得到了低暗电流（10-10 A，无需栅压）、超快响应（2.6 μs）和高探测率（最高 4.43×1012 cm Hz1/2 W-1，980 nm 处），可在365-1550 nm（紫外 - 近红外）波段实现自供电探测，同时具备高稳定性（2个月性能无衰减）创新点：构建 Bi2O2Se/p-Si 异质结，利用薄 SiO2层量子隧穿与费米能级差，形成内建电场实现自供电；器件性能优于多数Bi2O2Se基光电探测器。文章结论：突破了传统2D材料零带隙、高暗电流及Bi2O2Se自身载流子浓度高的瓶颈，在无栅压下实现自供电、宽带、快响应与高稳定的综合性能，为 2D 材料光电应用提供了高性能解决方案。启发：异质结的内建电场对光生电子-空穴对实现高效分离，可以降低暗电流与提高响应速度。

文献来源：ACSAppl.Mater. Interfaces2023,15,5411−5419 作者：XinXue, CuicuiLing, HongguangJi, JingyaoWang, ChuankeWang, HaipengLu,and WenpengLiu 发表日期：2023 报告人：胡天赐

报告人：胡天赐