原子传感、水下加密通信与超构光子器件多项突破性进展 | Photonics Res.推荐合集

随着高频通信、先进雷达、集成射频芯片及复杂电磁系统的快速发展，如何准确“看见”微波器件周围复杂而精细的电磁场，已成为天线设计、芯片测试和雷达散射特性评估中的重要需求。尤其在感应近场区域，丰富的倏逝场与亚波长结构蕴含着大量局域电磁信息，但传统金属探针本身会参与电磁相互作用，扰动甚至重塑原始场分布，使“看得更细”与“测得更准”难以兼顾。对此，山西大学和汉江国家实验室的研究人员研制了一种紧凑、单端口、光纤集成化里德堡原子低扰动探针，实现了喇叭天线和芯片天线微波感应近场的高保真扫描成像。实验结果与全波电磁仿真高度一致，并显著优于同尺度金属探针；同时，该探针能够在尽可能保持原始电磁环境的条件下识别金属目标诱导的微弱散射场变化，并实现约0.62 mm（λ/56）的横向分辨能力，为真实电磁环境下精细场分布及弱散射特征的可视化提供了新的技术手段。

论文标题：Reactive near-field subwavelength microwave imaging with a non-invasive Rydberg probe

针对水下光通信在散射、湍流与弱光条件下易受干扰，以及传统“先重建再识别”的解码流程效率受限的问题，太原理工大学的研究团队提出光子级单像素无图像通信方案。发送端将信息与密钥异或后编码为二维图案，利用不同重复频率调制双通道信号并共路传输，实现空间加密与信号叠加的双层物理层保护；接收端通过单光子探测和频域分离获取测量信号，再借助融合衍射、波动与散射物理先验的解码网络直接提取信息，省去图像重建步骤。实验表明，该系统在低光子及动态浑浊环境下保持较高的识别准确率与稳定性。传输距离为50 m时，通信比特率达10⁴bit/s量级，误码率为10^-5量级，单个二维编码的预处理与解码时间低于0.4533 ms，为安全、实时的水下信息传输提供了新方案。

论文标题：Photon-level image-free optical encryption for robust underwater optical communication

在微纳光学生物传感中，高品质因子（Q值）与灵敏度之间的固有权衡长期制约着传感器的检测限（LOD）：高Q值带来稳定的谐振波长，却伴随着对微弱折射率扰动响应的下降。为此，西湖大学Mohamad Sawan教授团队提出了“等离激元超构腔”：将非局域等离激元超表面嵌入法布里–珀罗（F–P）微腔，通过优化结构参数激发微米尺度F–P共振与纳米尺度表面等离激元共振（SPR）之间的“离共振耦合”。该超构腔所支持的耦合模式兼具由F–P微腔主导的高Q值与高体灵敏度，以及由SPR主导的高表面灵敏度；并且，该耦合模式对结构变化展现出优异的鲁棒性，由此在多尺度（纳米至微米）传感场景下均获得优异的品质因数（FOM）和显著改善的理论LOD。该设计实现了从数十纳米病毒蛋白到数百纳米假病毒颗粒的无标记检测，为多尺度、高灵敏、鲁棒的生物传感提供了新思路。

论文标题：Robust high quality-factor out-of-plane nonlocal metasurface-enhanced microcavity for multi-scale biosensing

近年来，结构光的产生取得了显著进展，这得益于对光束进行工程设计以实现日益复杂的空间变化偏振分布的能力。然而，传统方法通常产生的矢量光束，其偏振织构在传播过程中保持固定不变。意大利帕多瓦大学和国家研究委员会材料研究所的研究团队展示了一种基于超表面的紧凑型方案，用于产生偏振沿传播方向可编程演化的贝塞尔-高斯矢量光束。通过独立调控与正交圆偏振相关联的波前，该超表面能够实现矢量场的受控纵向重构。实验演示了三种代表性功能：偏振拍频、矢量拓扑序的演化，以及光束矢量度的重构。该方法利用了贝塞尔-高斯模式传播不变的特性，并结合并行自旋解耦的先进相位控制，将复杂的结构光操控集成到单一平面光学元件中。这些结果将基于超表面的结构光产生从固定场合成扩展到可编程三维矢量演化，为光通信、信息处理、传感以及先进光与物质相互作用等领域带来新机遇。

论文标题：Compact spin-decoupled metasurfaces for polarization texture reconfiguration of Bessel–Gaussian vector beams during propagation