现在光学前沿方向有哪些？

大v

求大神们说说自己了解的方向，简单说说就行。。谢谢大家
原文地址：https://www.zhihu.com/question/38060543

感恩由您

这就不得不隆重介绍我们的光学中的集成电路，电学中的超高速通信，A100的下下一代必不可或缺的器件所在的领域：Photonic integrated circuits (PICs)
PICs，顾名思义，是对照集成电路IC方向的光学版本。
传统光学高度依赖于自由空间内的镜子，透镜等等，不仅又大，又重，还容易由于机械固定的问题导致仪器设备随着时间性能参数漂移。
PIC就是通过lithography, etch, deposition等等传统半导体工厂的制造流程，制作出来专门用来引导光的传输的回路，这种回路可以通过选择不同的材料，形状，结构，将许多常见的光学系统给小型化到一个指甲盖大小的区域，比如CW laser, pulsed laser，EO modulator。每一个都对于当前的光学行业的产品是颠覆性的。小型化带来的不仅仅是便携性，集成度的提高，还有能耗的迅速降低。
举个例子，我们可以简单的使用一节AAA电池供能，实现脉冲激光；又或者实现更高带宽的transceiver——这个已经是毋庸置疑限制了接下来高速信息时代的基础设施。我们既可以大幅度的降低数据中心的年耗电量（几十倍），也可以实现更快更多的数据传输。
说回到Nvidia的A100。这就不得不谈到当前所有电学芯片发展遇到的摩尔定律的困境了：继续缩小特征尺寸到几nm，会产生非常严重的量子隧穿，干扰芯片正常的逻辑运转。那既然做不小了，就不能做大吗？当然可以，但光刻机的尺寸是有限的，并且大尺寸芯片的良率是非常低的。但我们可以做很多个和以前一样的小芯片，然后把他们并联起来，只要保证连接线的速率足够快，那么我们就可以认为他是完全不影响芯片的处理速度的。虽然铜线的传输速率是够快，但是金属本征会引入难以忽略的损耗，从而降低信号的信噪比。而光通信则完美解决这一点。
事实上，以前各位家中可能都是铜线传输电视机信号，后来用光纤取代，也就是“光进铜退”，大幅度提升了传输速率和抗干扰性。基于PIC的芯片间信号传输是一样的道理，只不过PIC的尺寸比光纤小很多，并且有望通过封装工艺的研发，将PIC和电路的IC集成到一起，降低热耗散，增加稳定性，提供了一个非常有前景的解决方法。
当然，以上都是基于产业驱动的。PIC一样具有在基础物理研究上值得探索的领域，如片上量子计算，Ising machine等等。还有更多有意思的应用可以参见我的另一篇回答：
现在做集成光学，光芯片这个方向怎么样？科研前景怎么样？

检验医师

微纳光学真是棒，不信你来听我唱；
常在顶刊里面浪，传统光学把边让；
材料换成钙钛矿，爱因斯坦说你棒；
要是加点石墨烯，影响因子101；
机器学习效率高，反向设计来帮忙；
二十年前超材料，二十年后超表面；
想要增加鲁棒性，拓扑光子来革命；
超快光学拿诺奖，研究短到几阿秒；
能源光子光催化，传统能源怕不怕？
单向传输非互易，反向信号被隔离；
硅基电子到尽头，集成光子来接手；
衍射极限难突破，等离激元把光聚；
激发材料非线性，光学特性你来定；
几何光学真枯燥，量子光学好热闹；
三维材料无人气，低维光学来发力；
零维材料量子点，一维材料纳米线；
二维材料助神力，光子晶体调带隙；
问他应用多不多，低头不语笑呵呵；
怀里掏出Science, 明年就能上院士；
无非新瓶装旧酒，麦克斯韦都摇头。
<hr/>PS: 微纳光学领域混子，利益相关
进入微纳光学领域前：


进入微纳光学领域后：

清风寡欲

2022.11.19更新//
《国家自然科学基金“十四五”发展规划》光学部分（“十四五”期间，积极布局一批具有前瞻性、战略性的发展方向，鼓励探索和提出新概念、新理论、新方法，促进科研范式变革和学科交叉融合。）
把这115项中的光学相关部分（我比较关心的光学在生物医学中的应用单独成列）提取出来并进行整理分类，大概分为了如下七大类:
1 量子材料、器件、系统（11、12、49、50）

1.1 新型光电量子材料制备、物性研究、器件物理
1.2 量子信息

• 量子计算、量子模拟与量子算法
  
• 量子通信实用化
  
• 量子存储和量子中继，量子导航、量子感知和高灵敏探测
  

1.3 量子精密测量

• 高精度光钟
  
• 时频传递的新原理与方法
  
• 空域-时域精密谱学及量子态动力学测量技术
  

2 下一代望远镜（10、49）（光学设计）

2.1 大口径光学/红外望远镜及科学探测技术
2.2 空间望远镜及科学探测技术
2.3 超精密像差控制，极弱信号获取
3 超材料 超表面（18、38、49、50）（微纳光学）

3.1 具有特定时空序构的电磁超构材料及超构表面，单向操控，拓扑体系
3.2 多功能、可重构/调谐的新型电磁人工器件
3.3 新型超构通讯器件
3.4 精密超构器件加工与集成
4 硅基光电子材料、器件、片上系统（38、49、51、52、53）

4.1 新一代高性能通讯用低损耗电磁介质新材料
4.2 宽禁带半导体材料、器件、制备工艺、评估新方法
4.3 光量子器件及芯片，异质异构光电子集成技术，红外及太赫兹光电子器件
4.4 智能光计算与存储器件，片上多维光电信息调控技术，大容量信息传输（光通信）
5 光学传感、检测、成像技术（12、23、38、49、50、54、61、100）

5.1 传感器件
5.2 超高时空分辨光谱技术，多维谱学原理与技术
5.3 超高分辨率探测，极弱信号获取，极端光学检测技术
5.4 突破光学衍射极限的成像方法，超分辨及可视化医学成像，生物医学传感与影像数据处理
5.5 多源融合探测成像、多维度稀疏信号处理、智能遥感信息处理与目标识别
6 激光及精密加工（49）

6.1 新型激光技术
6.2 新型纳米光刻光学技术
7 生物医学光学（23、49、61、78、86、87、96、100）

7.1 多功能耦合的化学传感与成像（极微弱信号探测、活体原位实时无损探测与分析）
7.2 突破光学衍射极限的成像方法，超高分辨率探测
7.3 光遗传学方法，生物医学传感与影像数据的高灵敏、跨尺度信息检测和处理
7.4 基于人工智能的医学影像、病理、分子特征一体化识别，大数据风险防控
7.5 超分辨及可视化医学成像、分子诊断，新型多模态跨尺度生物成像技术
7.6 基于多模态影像的个体化手术规划、导航等医学工程技术
7.7 脑科学
附录 提到的优先发展领域序号
10.面向下一代望远镜的关键技术研究
11.量子材料与器件
12.量子信息和精密量子测量
13.复杂结构与介质中的电磁场和声场的机理与调控
23.多功能耦合的化学传感与成像
38.面向5G/6G通信的信息功能材料
49.新型光学技术
50.光电子器件及集成技术
51.宽禁带半导体
52.电子器件、射频电路关键技术
53.多功能与高效能集成电路
54.精准探测与信息融合处理
61.生物与医学电子信息获取和处理
78.脑科学与重大脑疾病
86.智能化医疗的基础理论与关键技术
87.大数据与人工智能时代的计算新理论与新方法
96.跨时空、跨尺度生物分子事件探测与解析
100.多学科交叉新型诊疗技术
<hr/>1 光源

1.1激光:光纤/半导体/碟片激光

• 超快激光（皮秒/飞秒/阿秒）
  
• 超强激光诱导核聚变
  
• 自由电子激光器
  

1.2量子纠缠光源（单光子源）
1.3光学频率梳
1.4发光材料:卤素钙钛矿  
1.5其他:太赫兹
2 光路传输 光场调控

2.1光通信:光纤通信 空间光通信 片上集成光通信 量子通讯
2.2光纤传感
2.3自由曲面光学
2.4超表面超材料
3 光学应用

3.1生物医学光子学:生医成像 手术
3.2激光微纳制造 光刻
3.3光镊
3.4全息
3.5光能源:太阳能 光催化
<hr/>2021.3.10更新//
超快激光微纳制造/和材料相互作用

1.特点

• 可以控制热影响区，无热扩散损耗，冷加工
  
• 抑制等离子体屏蔽，提高加工效率和精度
  
• 可诱导局部非线性吸收
  
• 超高空间分辨率
  

（开展对独特的超快物理化学过程/作用机理的研究）
2.材料处理
2.1表面微加工、微纳结构制备

• 金属（铝）表面结构色
  
• 硅表面微锥结构：黑硅
  
• 表面浸润性调控：“荷叶效应”、“毛细效应”
  
• 高精度钻孔和切割
  

2.2双光子聚合微纳制造、微纳3D打印

• 微纳功能器件
  
• 光学/力学超材料
  

2.3透明材料内部改性和加工

• 透明材料内部三维光波导、光子器件
  
• 光学微腔
  
• 微流控芯片
  

长长的路

复制自己以前写的光学文章，本人不侧重于光学的技术细节而是侧重于光学在生命科学中的前沿应用，开阔大家的视野。
光学的开发和应用帮助现代医学和生命科学进入了快速发展阶段，如微创手术，激光治疗，疾病诊断，生物学研究，DNA分析等。
本篇文章将2个应用部分来简述光学（不包括X-Ray）在生命科学领域的作用：手术和药代动力学和诊断学。
手术和药代动力学

光学在手术和药代动力学中的作用主要表现在两个方面：激光和体内照明及成像。
1.1 激光作为能量源的应用

激光治疗的概念在上世纪60年代被引入眼科手术。当不同种类的激光和其特性被认识之后，激光治疗被快速的扩展到其他领域。
不同的激光光源（气体，固体等）可以发出脉冲激光（Pulsed Lasers）和连续激光 （Continuous wave），对人体不同组织产生的作用也不同。这些光源主要有：脉冲红宝石激光器（Pulsed ruby laser）；连续氩离子激光器（CW argon ion laser）；连续二氧化碳激光器(CW CO2)；钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器。 因为连续二氧化碳激光器和钇铝石榴石激光器在切割人体组织的时候有凝血作用，在一般手术中应用最为广泛【1】。
应用在医疗上的激光波长一般大于100 nm。不同波段的激光在人体不同组织中的吸收作用被用来拓展其在医疗的应用，比如当激光波长大于1um时，水是首要的吸收物。激光不仅能在人体组织吸收中产生热效应，用于手术切割和凝固，而且还能产生机械效应。尤其在人们发现激光的非线性机械效应后，如产生空化泡（Cavitation bubbles）和压力波（Stress waves），激光就被应用于光致破裂（Photodisruption）技术，比如内障手术和肾结石碎化手术。激光还可以产生光化学效应，引导具有光敏介质的癌症药物对特定组织区域释放药效， 如PDT疗法。激光结合药代动力学在精准医疗领域有非常重要的作用【2】。
基于激光的热效应，机械效应，光化学效应和电磁场效应，不同激光源在临床手术中有以下应用（不限）【3】：



激光在一些主要的临床手术中的应用机制如下：

• 眼科屈光手术-视觉矫正（Laser Refractive Surgery）【4】
  

• 心血管成形术-血管舒通(Laser Angioplasty)【5】
  

• 美容外科手术-皮肤修复 (Laser Skin Resurfacing)【6】
  

• 泌尿外科手术-胆结石碎石术(Holmium Laser Stone Surgery)【7】
  

• 微创肿瘤切除术-脑瘤切除 (Stereotactic Laser Ablation)【8】
  

• 光动力疗法（PDT）-癌症靶向药物 (Photodynamic Therapy)【9】
  

光动力疗法原理：特定波长的激光照射处于人体目标区域的光敏剂，使其受辐射激发。而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧，单态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致目标细胞受损乃至死亡。

1.2 光作为体内照明和成像工具的应用

自从上世纪90年代CCD（Charge-Coupled
Device）相机被引入微创手术（Minimally Invasive Therapy, MIT）,光学在手术应用中有了质的变化。光在微创和开放手术中的成像作用表现形式主要有内窥镜，微成像系统和手术全息成像等。
柔性内窥镜 (Flexible Endoscope)，包括胃肠镜，十二指肠镜，结肠镜，血管镜等。



内窥镜光路包括照明和成像两套独立配合的系统【10】。
刚性内窥镜 (Rigid Endoscope)，包括关节镜，腹腔镜，胸腔镜，脑室镜，宫腔镜，膀胱镜，耳鼻镜等。


刚性内窥镜一般只有几种固定的光路角度可选，如30度，45度，60度等【11】。
微型体内相机，以微型CMOS和CCD为技术平台的成像设备。比如一种胶囊式内镜，
PillCam。它可以进入人体的消化系统检查病变以及监测药物效果【12】。


手术全息显微镜，一种在精密型手术中用于观察细微组织的3D图像的成像设备， 比如用于开颅的神经手术中【13】。



医学诊断应用

光学检测因无创性和精准性等特点，已经成为医学诊断领域定性和定量判断的最重要的技术之一。该领域的光探测技术原理包括吸光度（absorbance），荧光效应(fluorescence)，化学发光(chemiluminescence)，干涉度量(interferometry)，拉曼散射（Raman scattering）和表面等离子共振等 (surface plasmon resonance)。
根据以上原理，基于不同光谱波段的光学诊断和分析仪器如下图所示。


本章分主要简述光在医学诊断和分析领域的应用：血液监测 和肿瘤检查-光活检。
血液监测 (Blood Monitoring)

血液中不同的粒子/分子对特定波长光的反射和吸收程度不同。一般来说，监测血液中目标成份的仪器采用的发射光谱集中在红光和红外光。
血氧仪（Pulse Oximeter），要测量脉率、血氧饱和度、灌注指数（PI）。其工作原理如下图。指夹的一端有两只二极管，分别释放波长为660纳米的红光束 和 910或者940纳米红外光束，另一端是光接收器。在血氧测量时，通过检测还原血红蛋白和有氧合血红蛋白对不同波长的光吸收的区别，所测出来的数据差就是测量血氧饱和度最基本的数据。
血氧仪工作原理【1】



无创血糖仪（Non-Invasive Glucose Monitor）。红外线照射人体时，与血糖无关的人体组织，如皮肤、骨骼、肌肉、水等将吸收大部分红外线、余少量代表血糖特征的反射红外线，为血糖特征频谱信号，可用来计算血糖值。但是，血液中葡萄糖信息较微弱，且血液成分复杂而造成强吸收成分干扰。目前基于红外技术的血糖仪在稳定性和检测精度上依然有着巨大挑战，
而一直都没有达到美国FDA等认证的临床要求。
英国无创血糖仪Gluco-Wise（研发阶段）【2】


激光多普勒血流计(laser Doppler Velocimeter)。根据多普勒效应，当激光照射到血流内的粒子时，激光被运动粒子散射，利用散射光频率和入射光频率相比较得到的多普勒频移正比于流速的原理，来测量血流量。
激光多普勒应用原理【3】



基于POCT（床边诊断）的需求，更多的便携式血液监测仪器正被研发和投入到使用中，比如有利用乳胶微球的反射效应而专门监测血液茶碱含量的仪器。
肿瘤检查 –光活检(Optical Biopsy)

光活检通过分析光和组织的相互作用，在体或离体地为临床组织病理学提供一种无损、实时、精确和客观的与人体组织状态的有关信息。
相对于CT 等影像技术，光活检具有以下优势：非辐射性；对软组织早期生化和癌病变（尤其是非占位性病变）更敏感，分辨率更高；实时或近实时性；使用便捷，禁忌少；费用相对低。
目前发展的光活检技术主要包括：光学相干断层扫描（optical coherence tomography,OCT）、近红外成像( Near Infrared Spectroscopy, NIRS)、扩散光断层扫描（diffuse optical tomography,DOT）、光声断层扫描（Photoacoustic tomography, PAT)、荧光成像（fluorescence )、拉曼成像（Raman scattering ）等。
光学相干断层扫描仪（OCT）利用弱相干光干涉仪的基本原理，通过改变扫描频率或扫描距离，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，可得到生物组织二维或三维结构图像。目前OCT分为两大类：时域 TD-OCT和频域 FD-OCT。时域OCT是调整参照反光镜深度或角度，把在同一时间从组织中反射回来的光信号与参照反光镜反射回来的光信号叠加、干涉，然后成像。频域OCT的特点是参考臂的参照反光镜固定不动，通过改变光源光波的频率来实现信号的干涉。其主要应用于眼科，软组织病理（早期癌病变）及脑部手术介导。
眼科OCT成像示意图【4】



近红外成像仪（NIRS）利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同灰度梯度的图像。仪器波长范围一般为0.78—2.0微米，其发射光可穿透身体而不被水和血红蛋白强烈吸收。NIRS在医学诊断上的主要应用是根据对微循环中血红蛋白氧饱和度的敏感度对人体外周组织的成像。尤其，NIRS被广泛应用在大脑血流成像上(一般会先注射吲哚菁绿ICG)和EEG研究，以及心脏、乳房、前列腺、皮肤等癌症辅助诊断和手术上。儿科心脏手术也开始采用NIRS实时监控静脉需氧饱和度。另外，NIRS也被应用于血液样品等实验室检验分析。
红外成像仪下的非正常组织【5】


荧光成像仪（FS)根据荧光效应而发展的成像技术：原子核外电子受到激发从基态So跃迁到激发态Si后，会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。荧光成像的理论基础是人体组织的荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定的范围内与荧光素的量成线性关系。其主要应用于肿瘤疾病的检测和诊断，且因其高分辨率和操作便捷性及费用低，已经在软组织肿瘤诊断中越来越多的应用。另外荧光成像还用于蛋白质、金属离子的检测，药物新剂型研究（下篇文章详述）。
人体分子的吸收和荧光光谱【6】


荧光成像在肿瘤检查中的应用【7】


红外II区间光下的癌细胞（绿色荧光粒子）【8】


扩散光断层扫描仪（DOT）是一种面向厚组织体的利用红外组织光谱技术NIRS（光波长600nm-900nm）或荧光效应，通过探测透过生物组织的三种光（弹道光、蛇行光和扩散光)，结合光子输运模型、图像重建技术和扩散光测量系统获得三维组织图像的技术。其的应用领域只要为乳腺成像-早期癌症筛查，脑成像，软组织内窥等。
高密度DOT 【9】



拉曼成像仪（RSS）是基于拉曼效应的仪器：激光与化学键/晶格相互作用而发生非弹射散射，导致激光能量增加或损失，即为拉曼光谱。因每种分子的拉曼光谱都是唯一的（分子指纹），所以通过拉曼光谱可对生物分子进行定性和定量分析。在医学上，共焦激光（两束满足共振条件的激光和斯托克斯光）显微镜应用最为广泛。
拉曼成像用于组织成像【10】



光声断层扫描（PAT）是一种结合了纯光成像的高对比度和纯超声成像的高穿透深度特点，以超声作为媒介，利用光生效应（短脉冲如10nm激光照射到生物组织被快速吸收而膨胀，产生压力波）的生物光子成像方法。
光声断层扫描示意图【11】



因各成像技术的原理不同，其技术参数和应用的场景也不同，如下图【12】



相对于近年来最为主流的医学成像技术CT、MRI、超声等，光成像技术因分辨率高，操作便捷，限制应用条件少，非辐射性，价格低等快速发展并在一些诊断领域成为主要手段。

下一章，体外诊断-生物信息分析。

参考资料：
【1】Pulse Oximeter，www.acuclinic.com.au
【2】Gluco-wise, www.gluco-wise.com
【3】Laser Doppler Velocimeter, www.osapublishing.org
【4】Optical Coherence Tomography/Vision science and advanced retinal imaging labroratory, www.vsri.uc.ucdavis.edu
【5】Thermography /lotus path wellness center, www.lotuspathwellness.com
【6】Optical biopsy for cancer detection,Yang Pu,DOI: 10.1533/9780857097545.3.325
【7】Aus der Forschung:Neue Bildgebungstechnik macht krebszellen wahrend OP sichtbar, www.bio-m.org
【8】《细胞》：2016年MIT最美医学研究影像， www.weixinnu.com
【9】Bioimaging：watching the brain at work,Robert J cooper, nature photonics
【10】Raman Spectroscopy for medical diagnostics-From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection, Kenny Kong, www.sciencedirect.com
【11】High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain, Mohammadreza Nasiriavanaki, www.pnas.org
【12】Photoacoustic imaging in biomedicine,M.Xu, Review of scientific instruments, 2006

长长的路

分三块嘛
（一）怎么折腾（调制）光本身

• 超材料
  
• 空间光调制 - 全息、adaptive optics
  
• 非线性
  

（二）折腾完光本身再做点什么新应用

• 用fluorescence, two/three photon, SHG之类的看看生物样品
  
• 超分辨
  
• 通讯
  
• 光场记录和显示
  

（三）加工制造的精进

• 更精密的自由曲面、非球面加工
  
• 更快更强的激光
  
• 更大更细的光栅
  

多有疏漏，但大抵如此。