高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展（特邀）

中红外探测技术作为一种重要的被动探测手段,在各个领域都有着非常重要的作用。其中,以InAs/InAsSb超晶格材料为基础的无Ga型Sb化物II类超晶格探测器,由于去除了Ga原子的缺陷,具有更高的少子寿命,有利于提高探测器性能。此外,使用光子晶体结构,进行表面光学性能调控,可以提高器件的响应度,从而降低材料吸收区厚度,降低器件暗电流。暗电流的降低和响应度的提升,进一步优化了探测器的性能,进而提高器件工作温度,进一步降低探测系统的体积、重量和功耗。研究表明:使用光子晶体结构可以在不改变外延材料结构的前提下,提高器件量子效率,实现响应光谱的展宽,在实际应用中具有重要的意义。文中综述和讨论了InAs/InAsSb超晶格探测器和光子晶体结构探测器材料生长、结构设计的主要技术问题,详细介绍了两种提高中红外探测器性能的方案及国内外的研究进展。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

基于超表面的相位成像技术进展（特邀）

相位是光场信息的重要组成部分。在光学显微成像领域,大部分生物细胞对光的吸收较弱,传统的亮场显微无法准确地表征细胞的结构特征,因此相位成像成为非标记细胞观测的重要方法。经典的相衬显微镜基于干涉成像原理,通常需要大块的折射棱镜或者复杂的成像系统,因而系统臃肿,易受环境扰动。超表面是一种特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件,具有强大的光场调控能力,超表面集成在显微系统中可以实现方向无关、单摄式的定量相位成像,具有小型、轻便、易集成等优点。本综述回顾经典的相位成像技术原理,详细介绍基于剪切干涉、相位衬比和强度传输方程等3类超表面的相位成像技术原理,比较不同技术的优缺点和适用场景,指出超表面在相位成像领域面临的挑战,并对未来发展趋势进行展望。     

单像素成像与超表面成像（特邀）

单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像。相较于多像素探测器(CCD或CMOS),单像素成像克服了硬件的限制,在某些特殊波段,探测效率更高,响应更快。超表面是由亚波长的金属或介质单元构成的二维人造结构。在可见光波段,超表面可以调控入射光的多种自由度以实现多通道全息图的显示;在微波波段,超表面可以与导波模式进行耦合辐射出多种模式图案。简单介绍了单像素成像的研究背景、成像原理和重构算法、超表面成像的研究背景,并主要讨论了两种成像方式在可见光波段以及微波波段的结合以及相关研究,最后提出了未来的发展方向。     

激光雷达三维成像研究进展（特邀）

激光雷达三维成像相比二维成像具有信息丰富、主动性好、抗干扰能力强等优势,已广泛应用于遥感侦察、无人驾驶、航空航天等多领域。近年来,激光雷达三维成像发展迅速,一方面,以APD阵列器件为典型核心器件的制造能力增强,激光雷达的成像效率得到明显提升;另一方面,随着三维成像方法（扫描/非扫描）的不断改进,其综合性能也得到突飞猛进的发展。通过总结现有激光雷达三维成像的研究现状,讨论现阶段其面临的问题与解决方法,为推进激光雷达应用提供支撑。     

单分子三维取向超分辨成像技术进展（特邀）

超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。     

势垒型InAs/InAsSb II类超晶格红外探测器研究进展（特邀）

红外探测技术在卫星侦察、军事制导、天文观测、医疗检测、现代通信等重要领域发挥着关键作用。II类超晶格（T2SLs）红外探测器作为继碲镉汞探测器之后的新一代红外探测材料,在稳定性、可制造性和成本等方面具有独特优势。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器是最具潜力的T2SLs红外探测器之一,近年来其关键性能得到了稳步提高,但仍受吸收系数低、异质外延生长困难和暗电流大等因素的制约。文中综述了III-V族T2SLs的发展历程,分析了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的不同势垒结构、关键性能和发展趋势,指出了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决的关键问题和未来发展方向。     

单像素复振幅成像（特邀）

传统光学成像系统主要依靠阵列探测器对目标的空间分布进行探测来达到成像的目的。而单像素成像不需要阵列探测器,在探测端只需要使用一个单点探测器来记录光场的信号,然后利用关联算法来重构目标物体的图像信息。由于单点探测器的技术较为成熟,且成本较为低廉,因此这种成像方式在近些年得到了研究人员的广泛关注,期望单像素成像技术能够应用在X射线、红外、太赫兹等波段。另外,单像素成像技术在生物荧光成像、多光谱成像、三维成像、光场复振幅成像等应用领域也得到了深入的研究。其中光场波前的相位探测在天文观测、医学诊断、光学测量等领域至关重要,研究人员针对这一问题提出了多种基于单像素成像技术进行复振幅成像的方法,这些研究有效地拓展了单像素成像技术的实际应用场景。文中主要介绍了单像素成像技术的历史发展及其基本工作原理,并着重介绍了单像素成像技术在复振幅成像应用中的工作。     

荧光金纳米团簇探针的生物成像应用进展（特邀）

金纳米团簇（AuNCs）因兼具优异荧光特性、超小尺寸、精确化学组成及良好生物相容性等优势,使其成为近些年备受关注的新型荧光探针。为了推动荧光AuNCs在成像领域的应用,研究者们一直致力于发展高性能荧光AuNCs的设计与制备策略。基于对AuNCs结构与发光机制的理解,诸如提高荧光量子产率和细胞摄取率等策略陆续被提出以增强AuNCs的细胞成像效果,极大提升了其作为荧光成像探针的潜力,并将AuNCs的应用推广至荧光寿命成像、多光子成像等新兴荧光成像技术。近些年发展的具有近红外二区荧光的AuNCs进一步推动了其在活体成像的应用。文中概述了AuNCs的制备方法、提高AuNCs细胞荧光成像效果的各种策略,以及AuNCs荧光成像应用的最新进展,并对该领域的挑战和未来发展进行了展望。     

成像光谱仪的发展与应用（特邀）

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。     

基于信息超表面的无线通信（特邀）

信息超表面由于其强大的处理空间电磁波的能力,成为国内外物理和信息领域的研究热点之一。文中主要介绍信息超表面在无线通信领域的一系列研究进展。信息超表面能实时操控电磁波及直接处理数字编码信息,并进一步对信息进行感知、理解,甚至记忆、学习和认知,这使其在无线通信领域展现出巨大潜能。文中首先介绍信息超表面在承担无线中继职能时所涉及的信道建模研究进展、以及其对信道的改善作用;其次介绍信息超表面在新体制发射机中的应用,通过对入射到信息超表面上的载波进行幅度或相位调制,实现了多种简化的发射机架构。此外,文中还介绍了利用信息超表面近场、远场以及散射场等信息,实现了多种新型无线通信系统。最后,文章对基于信息超表面的无线通信进行了总结和展望。     

微波关联成像研究进展及展望（特邀）

微波关联成像起源于光学强度关联成像,通过对电磁波的调控形成空变和时变的辐射模式,突破天线孔径对成像分辨率的限制,具有前视、凝视、快拍成像等优势,在重点区域凝视观测、无人系统自主感知、安检安防等领域具有广阔的应用前景。文中简述了微波关联成像的技术起源,从成像原理、成像方法、成像系统等三个方面,总结了微波关联成像的研究现状与主要进展。通过对成像原理的剖析,阐明关联成像的基本条件与成像分辨率的影响因素;通过对成像方法的梳理,分析微波关联成像与光学关联成像以及传统微波成像方法之间的区别与联系;通过对成像系统的介绍,比较随机辐射、波前调制、孔径编码等多种成像体制的特点与差异,厘清技术发展脉络。最后,总结并展望了微波关联成像的未来发展趋势。     

超分辨光学显微成像的新武器——镧系离子掺杂上转换纳米荧光探针（特邀）

超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是,传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限,通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率,昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此,全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针,并通过改善成像装置与算法,进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性,如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等,持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注,是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制,然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用,以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望,为稀土纳米...     

高速光流控成像研究进展（特邀）

高速光流控成像是融合了高速光学成像和微流控的新兴交叉技术,能够对高速复杂流体环境中的生物体进行高分辨率、高通量和多信息维度的成像和定量检测分析,在生物能源、食品科学、药物筛选、疾病诊断等领域展现出卓越的应用前景。对高速光流控成像的基本原理、关键技术和前沿进展进行综述,并对该技术未来的发展趋势和面临的挑战进行展望。     

三维拉曼显微成像技术研究进展（特邀）

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。     

单像素成像理论与方法（特邀）

单像素成像技术是一种可通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标图像信息的新型成像技术,与传统“所见即所得”的光学成像技术相比具有高灵敏、抗干扰和高分辨等一系列优点,在遥感探测、国防军事和生物医学等领域有着广阔的应用前景。近年来,随着计算能力的提升和光电器件的发展,单像素成像受到越来越多学者们的关注。简要回顾了单像素成像的发展历程,详细介绍了单像素成像的基本原理、调制矩阵设计、图像恢复算法等方面的研究进展,并对其应用场景和未来发展趋势进行了总结和展望。     

显微成像系统分辨率问题讨论（特邀）

空间分辨率是光学显微成像系统的核心指标,根据光学衍射理论,成像系统的空间分辨率由照明光波长与显微物镜的数值孔径共同决定。而在实际成像过程中,根据不同判据得出的显微成像系统分辨率略有差异,需要根据光源的相干性和被观测目标的结构等特征选择合适的判据来准确计算成像系统分辨率。通过理论分析和数值模拟,给出了不同情况下成像分辨率的计算方法,并对比了在相干光源和非相干光源照明下,对双缝目标和双点目标成像时成像分辨率的差异。     

中红外超表面的成像和检测原理及应用进展（特邀）

中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区,在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂;在检测方面,受分子吸收截面小的限制,检测灵敏度低,对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列,具有体积小、易集成、调控自由度高等特点,能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号,提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展,包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。     

局域场增强石墨烯近红外光电探测器（特邀）

近红外光电探测器在夜视监控、生物医学、环境监测等诸多领域有广泛应用。由于二维石墨烯材料具有独特性质（零带隙结构、高载流子迁移率、功函数可调）使其在红外探测领域具有巨大潜质。为了充分利用石墨烯的优势,并克服其吸收率低、暗电流噪声大的不足,研究者利用局域场调控设计混合结构以提高红外探测器性能。文中总结了局域场增强石墨烯近红外光电探测器的研究成果,介绍了单吸收层局域场增强器件并分析基于不同类型感光材料器件的优缺点,进一步介绍了双吸收层局域场增强器件,对笔者所做的双吸收层器件中电流极性等相关研究进行了简述。最后对局域场增强探测器相关功能拓展领域研究进行了简介,对该类器件的发展趋势进行了简要的总结和展望。