极弱光关联成像研究进展及展望（特邀）

光学成像因其分辨率高,信息量丰富,具有其他探测和感知技术不可替代的地位,是人们获取信息最重要的技术手段之一。光子是光学成像系统中的信息载体。光学图像的高质量重构,依赖于对信号光子的高效耦合和对光信息的精准解耦。然而,在遥感或生物成像等重要应用场景中,由于作用距离远或辐照功率低,到达探测面的物体信号光子数少,信噪比低,对光学系统设计、信号探测和图像恢复都带来了极大困难,严重限制了光学成像性能。如何在极弱光条件下获得高质量图像,是光电成像系统研究的基础性难题,也是推动光学成像不断向更大视场、更远作用距离、更高信息通量发展亟待克服的关键技术。近年来,在光场调控和量子探测技术支撑下,并基于光场的高阶经典/量子关联发展起来的关联成像,由于探测灵敏度高、抗干扰能力强,为发展极弱光条件下的光学成像技术带来了新的机遇。文中将简要回顾关联成像的原理机制,在此基础上系统介绍极弱光条件下关联成像方案和方法。并尝试从光子动力学层面解释这些方法的物理本质,讨论这些方法的能力极限,比较这些方法所适用的场景。     

光片荧光显微成像技术的发展及应用（特邀）

近几十年来,光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新,显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术,光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本,大大提高了光子利用效率,降低了光毒性,并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来,其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽,从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及,不仅可用于观察细胞和组织的基本结构,还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时,其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展,旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考,推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。     

掩膜版调制关联成像的发展及应用(特邀）

关联成像作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的单像素探测器,结合空间光场调制技术,运用关联算法重构出目标的二维空间信息,成为近二十多年来广泛关注的研究课题。单像素探测器和结构光调制器作为关联成像中的两个核心要素,其性能直接决定了关联成像的各项指标。单像素探测器往往具有极高的光谱响应范围和工作带宽,但结构光调制器却少有与之匹配的性能。因此在一定程度上,结构光调制器的更新历程决定了关联成像技术的发展史。到目前为止,在关联成像中常用的结构光调制器有毛玻璃、空间光调制器、LED阵列以及掩膜版。其中,掩膜版作为一款有着悠久历史的结构光调制器,目前依旧是关联成像中空间调控的重要手段,并发挥着不可替代的作用。以关联成像的基本概念和发展历程为铺垫,着重介绍了一些基于掩膜版调制关联成像技术的工作原理及应用前景,并对非光学波段的掩膜版关联成像工作进行了简要的总结。     

激光关联成像雷达研究进展与展望

激光关联成像雷达是一种在凝视探测的条件下通过主动调控光场涨落和单像素探测器接收目标回波信号获取目标信息的计算成像技术,在远距离目标识别、三维成像、要地防御等领域有着重要应用前景,成为近年来的一个研究热点。简述了基于窄脉冲直接探测体制和基于长脉冲外差探测体制的两种激光关联成像雷达的基本原理和特点,并介绍了其近期取得的主要研究进展。进而围绕远距离、高分辨、高速运动目标探测与识别应用,对激光关联成像雷达所需解决的关键问题和发展趋势进行了探讨和展望。     

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。     

偏振荧光显微成像技术及研究进展（特邀）

生命体是由大量有机排列的分子组成的,其结构不仅与分子的位置分布有关,还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性,能够对生物结构的分子取向进行观测和成像,进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息,有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发,对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析,列举了其在生物医学领域的相关应用,讨论了其发展趋势及前景,旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。     

微型化显微成像系统的关键技术及研究进展（特邀）

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点,微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法,微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来,科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求,先后研制了单光子、多光子成像系统,并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化,提升系统性能,扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论,综述各方向研究进展,旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。     

无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展（特邀）

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法,目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用,分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术,具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式,以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展,分析了其成像性能,重点介绍了其在生物医学方面的相关应用,并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。     

微波光子检测 （特邀）

微波信号检测是电子信息领域的关键技术,广泛应用于通信、雷达、电子战。随着新一代信息技术的快速发展,现有的微波测量系统面临着速率和带宽瓶颈。微波光子学技术融合了微波和光波技术各自优势,具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势,文中围绕微波光子检测,特别是微波光子信号的频率测量方案,如频率-幅度映射型、频率-时间映射型、光信道化型等,介绍与分析国内外现状与发展动态,并对现有微波光子测量面临的问题和下一步发展方向进行了简单总结。     

基于光子芯片的微波光子混频器 （特邀）

提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。     

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。     

微波光子集成及前沿展望（特邀）

微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科,是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。由于现有的微波光子系统大多由分立器件组成,在体积、功耗、稳定性、成本等方面仍有待提升,因此集成化是微波光子技术发展的必然趋势。文中探讨了微波光子集成技术面临的主要科学与技术问题,总结了该技术的发展现状和前沿研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。     

激光光谱合成技术研究进展与展望（特邀）

光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。     

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。     

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。     

微波光子与多学科交叉融合的前景展望(特邀)

微波光子学可借助光电子器件实现微波信号的产生、处理、接收和分配等功能,具有宽带、低传输损耗、轻重量、快速可重构及抗电磁干扰等优势。随着微波光子学的理论方法和技术应用的不断发展,微波光子与多学科交叉融合成为其核心发展方向。文中对微波光子与部分学科交叉融合的现状进行了总结,并对微波光子与激光技术、集成光电子学、量子技术和人工智能等前沿学科的交叉融合进行了展望。     

微波光子技术在电子战中的应用探讨（特邀）

电子战是夺取信息化战争的关键力量之一,而微波光子技术由于其宽带性、高速性、并行性、小巧性等特征与电子战能力提升的需求高度匹配,已经成功应用于信号产生、传输及处理等环节中。首先从电子战系统的作战要求和能力特征出发,分析了影响电子战效能的核心要素;进而探讨了微波光子的特点及其提升电子战能力的原因,并以光学波束形成为典型应用,分析了微波光子给电子战系统带来的能力提升优势;最后,面向电子战向电磁频谱战转型的发展需求,对微波光子的发展趋势进行了展望。