新闻有感 期盼与呐喊

阿福

　　不知不觉地人生已经进入桑榆之年。本该两耳不闻窗外事，安度晚年的时候，却被一桩桩新闻忧乱了我的思绪，不得不让人联想让人企求，觉得自己总该说点什么，才对得起这个飞速发展的时代……

　　期盼混合光学系统的春天早日到来

为科技人才的輩出呐喊

　　也就是前几天吧，听说潘超来学校看望庄老师。他现在已经是他们黄石理工学院的院长了。想當初他在上理工搞的景深延拓博士论文，的确做得不错。

现在这个课题在国内研究的单位不少，技术在进步。上理工也不例外。可喜的是我偶然在上理工一个研究生的论文中看到有这样一段系统成像仿真复原实验的描述。

景深延拓验证

　　事情的来龙去脉是这样的。有一次郑教授告诉我，她的一个叫鲍猛的研究生的小论文，实际上是一篇关于景深延拓的文章，想让我看看，提提意见。

我看后觉得这篇文章的价值和意义並不小。想当初21世纪一开头的那几年，我也曾经和当时读博的潘超合作搞过这一同样的课题……。没想到，历史又重新上演了一遍……。

鉴于我对这个课题的特殊感情，我把鲍猛的论文要点介绍如下。

首先他们是利用了一个现成的大视场荧光显微成像系统引入了一个三次方的位相扳作的一个焦深延拓研究。无疑就是把一个传统的光学系统升级为一个混合光学系统。

第二 它的意义在于利用波前编码技术能够在不降低系统分辨率的前提下对光学系统进行焦深延拓。实现对高通量多层堆叠的dPCR芯片进行一次性成像，对原自主设计的大视场荧光显微成像系统添加位相板来解决其分辨率与焦深的矛盾。

第三个亮点在于通过ZEMAX软件自有的API接口，将其与MATLAB连接交互控制，编写遗传算法对位相板的调制系数进行筛选，并选取最佳系数进行位相扳的加工。

第四个亮点，经过位相板编码后的光学系统，虽然能够扩展其焦深范围，但这是以分辨率损失为代价的，得到在大焦深范围内的模糊一致像，还需要对其进行解码复原，获得分辨率较高的系统成像图。常用的复原解码方法有直接逆滤波复原、维纳滤波复原、最小二乘法复原。

他们的做法是一个通过ZEMAX软件进行波前编码系统成像的仿真实验，并采用维纳滤波方法加以复原，完成理论上的模拟验证。

第五个亮点在于通过对这个新的混合光学系统的实验，並与原系统作对比，证明了它的确具有焦深延拓功能。

而且位相板的加工制作来自苏州一家公司。说明我国在二元面的制作技术上已经步入了实用阶段。为混合光学系统的发展奠定了坚实的基础。

这个例子虽然有些特殊，但的确是传统光学系统升级为混合光学系统的范例之一。

　　从上述景深延拓的研究情况来看，我觉得有一点很重要，那就是通过实验验证了三次方位相板的设计和制作都OK了。不管上理工现在这位研究生的实际水平如何，至少透露出二个信息。

其一是在21世纪初，庄院士首先提出的景深延拓这个课题的方向是正确的。经过了十几年的历史沉淀终于重见了光明。

其二证实了衍射元件开始步入实用化阶段。就像开春的麦苗茁壮成长，势不可挡。混合光学系统的春天即将到来……。

混合光学系统

　　由于现代光学软件具有处理现代光学元件方面的强大功效，加之非球面面型的精细加工技术和衍射光学元件的微细加工技术的日趋成熟，使光学系统的设计正从球面元件向非球面和衍射光学元件过渡，也就是向非球面光学系统和混合光学系统过渡。与20世纪相比，它正经历着从设计方法到加工方法两个方面的根本性的变化。

如果说20世纪，非球面的设计和应用使光学系统的性价比出现飞跃，那么21世纪，混合光学系统的设计和应用前景必将更加辉煌。

　　众所周知，二元光学与常规光学相结合称之为衍射折射混合光学系统，它是微光学技术在现代光学系统应用中的一个范例。被誉为“90年代的光学”。从光学设计的角度看，二元光学它的无可替代的作用是它的负色散特性。对于介决复消色差难题起到关键性作用。当然在红外领域，由于材料的稀少就更显得独一无二的存在。

　　由于它的重要性和独特性，下面简单介绍 一下在zemax软件中的二元面Binary Optic 2。它是一个在偶次项非球面表面基础上，附加以下形式的位相：

　　衍/折透镜可以通过二元面中的位相系数(也可以用 Zernike 位相面）的变化来模拟它的衍射效应。它与非球面系数不同，因为后者取决于面型的矢高公式而位相系数才真正决定了附加的位相值。因此，它没有厚度的变化，也没有折射率的变化。

其中，它的平方项系数是至关重要的，它决定了消色差的一切特性。

　　如果说景深延拓的例子不够典型的话，下面我用一个复消色差的100倍干镜作例子予以说明。早在2009年我在上理工时，曾借助于zemaⅹ 软件，对一个已知参数的“产品”，引入一个衍射面给予优化处理，得到了一个十分接近衍射极限水平的设计结果。这就是一个非常廉价的混合光学系统的产品。我觉得这个做法非常具有普遍意义。因为 如今二元面的制作日见成熟，那么高质量的混合光学系统的产品必定会前途一片光明。

下面这张图就是这个NA=0.95，100倍的复消色差物镜，引入衍射面后的区域能量曲线图。但凡任何一个光学设计的同行，都会一目了然。

　　列出的全視场的区域能量曲线图，无疑己经足以证明，由于衍射面的引入，的确是向衍射极限接近了一大步。这让传统光学系统设计者看到了胜利的曙光。

当然上述实例是在使用了美国的zemax光学设计软件后得到的结果。

通过上述二个混合光学系统的例子说明衍射元件是非常具有发展潛力的朝阳产业，但这需要设计和制作工艺二方面的同心合力，才能凑效，就像非球面的普及也走过很长一段工程化的道路。

我想这一段话也许对下面即将提到的光学设计交流群的年轻朋友们有所启发。

光学设计会失业吗？

　　一个偶然的机会在网上看到一篇署名逆光尋梦的原创文章。它是这么说的:

　　为什么光学是劝退专业

原创

逆光寻梦 2023-09-29 08:58

陕西

最难的点在于你有没有机会去从事，你觉得你上面做的这些工作，交出去肯定要制造实物来看的对吧？光学镜片的制造成本很高，从玻璃库选型，衍射Q，鬼影去除，一般来说一个十几个镜片的镜头组你能做的非球面表面只有两面（非球面加工a挺贵的）而真的好镜头做出来必然是代价高昂，多高呢？大概一个十几万吧。

所以你明白为什么很多人说是劝退专业了吧，咱工科（虽说光学工程是物理系。的）讲究一个实践，老板花十几万给你烧一个经验值实际上对于他们来说是很不合算的事情，所以光学工程师Q要的职位非常少，因为比如大规模制造的手机镜头，拿舜宇光学Q举例，他们的镜头都是光学塑料一体压成，这种工作只可能是上了经验的人才有，所以就形成一个悖论：光工a的设计项目都很烧钱需要经验丰富的设计师，可是设计师的成长同样也需要烧钱，导致除非你非常优秀并且有一定的运气，否则你不可能真的有机会去烧经验值。

光学设计交流群66

　　发表在一个光学设计交流群中的这位作者，原来我们都是同行。我之所以在这里再唠叨一次，目的是用这个例子来说明混合光学系统的可行性和它的真实价值。

要知道过去的传统光学系统，一个通病就是二级光谱。而这个衍射面的引入正是对症下的药。而非球面介决不了这个难题。不信你可以自己试试。

毕竞21世纪不再是非球面一家独大，而可能更是衍射面的天下。

　　过去有个说法叫学好数理化走遍天下都不怕。现在应该说这个数理化就集中体现在精通和掌握一个应用软件的能力上。

说到底无论你是学光的还是学芯片的或是机械设计的甚至是财务的，哪一个能离开掌握应用软件的使用能力上……。

在我看来学光的人，更是前途一片大好……。这不，下面光的精彩立马来到。

爆炸式新闻:超级光盘问世

　　2024-02-23 13:48 北京日报报导一篇题为“超级光盘”，诞生了！的文章

存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”，在中国科学院上海光学精密机械研究所诞生。这对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

“超级光盘”是上海光机所与上海理工大学等科研单位紧密合作、在超大容量超分辨三维光存储研究中取得的突破性进展。22日，国际学术期刊《自然》（Nature）杂志也发表了相关研究成果……。

　　发表于《自然》杂志，论文第一作者单位为上海光机所，通讯作者为上海光机所阮昊研究员和上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏院士，上海理工大学文静教授。

上海光机所博士后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者，为光信息存储技术领域带来新的曙光。

　　一张光盘，无非三大要素，1是光盘的材料；2是写入光学系统；3是读出光学系统。

信息写入和读出双突破

　　记者介绍 顾敏团队是采用加入第二束光的方式突破了衍射极限。

起到关键作用的是一种新的纳米复合材料应用，即荧光上转换纳米颗粒与氧化石墨烯结合。其原理是，首先由红外激光激发荧光上转换颗粒，通过共振能量转移，将氧化石墨烯还原为接近石墨烯的材料。另一束红外激光的作用下抑制能量转移过程，相当于一块橡皮擦“擦除”掉周边多余能量，从而缩小记录点尺寸。

据估算，该技术方案能够将信息记录尺度从几百纳米缩小到100纳米之内……。

这就是所谓的激光纳米直写技术。下面让我们重新回顾一下这段历史。

历史的回顾

　　1994年，德国科学家Stefan W.Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明光学衍射极限能够被打破，2014年获得了诺贝尔化学奖。

经过20多年发展,这一技术已在显微成像、激光纳米直写等领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。

然而，传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。

因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。

创新方案

　　自20世纪80年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，上海光机所团队一直深耕光存储领域。

依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光光刻胶材料相结合，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制。

应该说采用了上述方案才克服了荧光猝灭，导致超分辨信息难以读出的难题。

　　由此可见，超级光盘中的一张透明的盘片原来不是普通的材料而是纳米复合材料。显然这是上海光机所的功劳。是赵苗等科技人员，7年中从几百份样品中幸劳筛选出来的成果。

论文共同第一作者、上海光机所博士后赵苗在上海光机所硕博连读，将这个课题从头坚持到尾。7年甘坐冷板凳，嘉定张江7年连轴跑……

研究团队最终基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出方面均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储的成果。

修成正果

　　在众多的报导中，我注意到了这样一段话 “……加速重复读取后，荧光对比度仍保持在20.5:1”，从而解决了“……荧光猝灭，造成信息丢失……造成超分辨信息难以读出” 的难题。

这样看来读出光学系统可能奥妙是在荧光身上。

到底如何聚集；如何诱发；又跟光刻胶材料有何瓜葛，这种种的问题不是我一个门外汉能搞懂的，恐怕这就是纳米光子学的领域要研究的东西了吧。

毕竟需要读出的信息是几十纳米级，而荧光波长则是几百纳米级的，按常规读出光学系统是无法实现的，否则怎么会叫是世界难题呢？

这样看来能够做到写入、读出超分辨双突破的头功还得归于材料，然而超分辨读出光学系统毕竟在世界上还是首次，应该与材料双头功……。

由于光机所提供的材料是全透明的，这样就有可能实现三维光储存。大大扩展了存储量。但同时也给读出光学系统带来难点。很难想象一百层逐点读出的话，需要化费多长的时间。

此外，我看到了另一位论文並列第一作者——上海光机所的硕博连读的博士后赵苗。他的事蹟让我深深地感到，嘉定→_→张江 连轴跑7年，这是什么样的毅力支撐！再者，7年反覆制作筛选好几百种材料，真所谓失败是成功之母，那真正成功者又有几个呢？

我深深地感到要为中国科技人才的辈出呐喊！

现实意义

　　正如上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士所说，该Pb级海量三维纳米光子存储技术是一项划时代的技术。

　　从光学显微技术，到当今“卡脖子”技术的光刻机，再到光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。

在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理学领域高居首位。

该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破“卡脖子”障碍，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。

　　这是国际上首次实现PB量级的超大容量光存储。上海光机所提供的光盘材料是完全透明的，所以能发挥光的优点，可以三维存储。原来一个数据中心的容量就是1PB，现在我们相当于把一个机柜缩小到一张光盘上。

……论文审稿人评价称，该研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题。

一石激起千层浪

　　上理工与中国科学院上海高等研究院签约

今年3月1日上午，上海理工大学与中国科学院上海高等研究院（简称“高研院”）合作框架协议签约仪式在学校思晏堂201会议室举行。

接下来超级光盘的产业化将会如火如荼的展开，愿超级光盘的产品早日问世造福于人类。

捉摸不定

　　历史的发展总是这样的捉摸不定。

2004年上理工研制成功兰光光盘写入系统，之后光盘被固态磁盘完全替代。如今2024年上理工却又突然冒出来一个超级光盘……。

21世纪开始对超分辨率的研究一直非常热门，但都是以光盘或者芯片作为接受器的，大家都很熟知的光刻机中，这个超分辨率常数也就在0.5左右。否则也不必那么费尽周折地去搞什么EUV光源了。

超级光盘的成功显然表现在二方面。

其一是把衍射极限几百纳米的缩小到百纳米之内，从而实现了超小的分辨率常数。

其二是多层，多至一百层。我在上理工时也搞过多层光盘的课题如《波导多层光存储机理研究》，深知並不好搞。

因此作为一个曾经的参与者的我，听到这个超级光盘能够达到如此超小的分辨常数，再者层数甚至多至一百层，如果还能景深延拓完成一次成像读出，那堪称绝对的完美无缺了……

此刻我内心的喜悦真的是难以言喻。不仅为上理工的成绩感到高兴，更为上理工科研力量后继有人感到振奋。

超分辨极限后继有人

　　我在有关超级光盘的报导中看到了有这样一段描述。

　　在超级光盘的相关报导中，提到了二个关键的人，就是论文的二个並列第一的作者。上海光机所的博士后赵苗和上海理工大学教授文静。

也许我是上理工的人，所以我特意在网上查了文静的一些资料，发现她是一个不满40的年轻教授，主攻研究方向正是超表面……。

　　……文静从2015年1月至今在上海理工大学从事表面等离子体纳米光子学、超表面、超分辨光学成像以及光场调控等方面的相关研究……。

果不出所料，她现在研究的正是超越衍射极限的光学理论与实践。 这么年轻的教授，已经有了如此出色的研究成果，真的非常惊喜，不愁后继无人。

这不能不说是又一件大事。

　　突破衍射极限限制的话题更多的指光学系统本身的突破。下面先看一段网上的报导。

超表面成像

　　超表面成像:光学界的“下一个当红辣子鸡”。

这个标题很吸引人吧，在这个由超透镜塑造的全新世界里，会带来哪些变化?

想象一下沉甸甸的单反相机能够轻如羽毛薄得就像一张纸。你会怀疑，这是怎么做到的?答案就是:超透镜(MetaLens)。

这不是未来的幻想，而是今天科学正在努力实现的目标。如今，科学家们正利用纳米光学结构对光进行控制，让进来的光投射到它该去的地方……， 这项被称为“超透镜”的技术有望彻底颠覆传统光学的认知。

可以说，超透镜像一位悄无声息的魔术师用微观的“魔法天线”重新编排了光的舞蹈。不同于传统透镜那种依赖对几何形状的粗暴"践踏"，超透镜更像一个精致的音乐盒，每一个微小元素都像琴键一样，能够准确地引导光线走向我们期望的方向。

那么在这个由超透镜塑造的全新世界里会带来哪些变化呢?

对超透镜的探索真的是十年磨一剑。

它的正式名称为超构透镜或超表面结构透镜，它是一种运用先进的光学原理和纳米工艺制造出的二维平面透镜。与传统的透镜相比，超透镜采用了所谓的“超表面”，这是一种具有亚波长厚度的平面二维超材料。其原理是通过改变光的相位、振幅和偏振，以此达成特定的成像或其他光学效应。这意味着，与传统的多透镜组合系统相比，超透镜能够在一个极薄的层面上完成极复杂的光学操作……。

看了上面这些介绍，初步了解了纳米光子学研究的对象以及与传统光学成像原理上的巨大差异……。

经历了10年多的时间，总结来说，相对于传统透镜，超透镜的主要优势集中在三点: 轻薄、便宜以及更高的灵活性和集成性。

如今，超透镜正在多个领域展示出其强大的应用潜力。作为一项颠覆性的技术，超透镜不仅有可能改变我们与世界互动的方式，更有潜力引领整个光学产业进入一个全新的时代。

这不正是文静教授现在研究的课题吗？

登上Scⅰence封面

　　2016年第一次登上了Science 封面的超构透镜是采用二氧化钛纳米柱结构设计的数值孔径达到0.8的高分辨率超构透镜样品。该超构透镜可以清晰地分辨亚波长特征的尺寸，在405、532和660nm的工作波长下，均可以实现衍射极限级别的聚焦质量。

传统光学系统的接近衍射极限和超构透镜的突破衍射极限这是二种绝然不同的理论体系下的产物。作为老一代的光学设计者只能仃留在接近衍射极限的水平上。而突破衍射极限的重任只能落在你们每一个继承者的身上。

此时此刻，我想光学设计交流群的青年人是不是也感到肩上的压力了？

超透镜设计软件

　　我在网上又看到了一款新思科技推出的超透镜设计软件。超透镜又薄又平，可以取代厚重的曲面透镜，有望彻底改变光学产品。超透镜是下一代紧凑型成像、传感和显示应用的关键技术。

为了助力这个全新创新领域的发展，新思科技推出了MetaOptic Designer。这是一款强大的逆向设计工具，让用户可以根据自己指定的标准来生成超透镜/超表面，从而实现出色的系统性能。

为什么超透镜设计独具挑战性？

一个超透镜通常由数以百万计的亚波长结构单元(称为超原子）组成。设计这样一个超透镜，需要考虑数百万个变量，因此是一项独具挑战性的任务……。

看到这里，三句不离本行，对一个搞了一辈子光学设计的我，都感到十分惊㤉，超透镜的手工设计需要面对上百万个变量？……

又一爆炸式新闻

　　据一个知情人爆料说:

去年10月8号早上，有一个朋友在我的微个微信群里转发了一篇文章，并且配了两句话，上理工进名单了。……内容主要讲就是10月7号，美国政府将31家中国公司、研究机构和其他团体列入了所谓未经证实的名单，限制了他们获得受监管的美国半导体技术能力。

我随机就点开了其中一篇文章，然后我惊奇的发现，就在这31家的实体名单中，第25位就是……上海理工大学呀。所谓制裁呢，就是美国针对我们国家的一些比较牛逼的半导体产业。美国对中国的打压的方向，基本上主要都是集中在芯片产业……。

接班人任重道远

　　如今上理工也被制裁了，诸如超透镜设计软件这样一些所谓的美国技术当然也不可能为你们所用……可想而知困难是压力山大。不得不说接班人的担子越来越重，任重而道远。而我唯一的愿望是可以看到你们更精彩的未来。

结束语

　　我一个上世纪30年代的人在传统光学设计的年代度过了一生。親身见证了光学设计在速度和质量上的飞跃。我们这一代人完成了从“二旁一近”向靠近衍射极限的突破，也可以说是传统光学设计从0到1的突破。而下一突破将是传统光学系统向超透镜的突破。

科技的发展是无止境的，尤其是最近十几年来隨着纳米光子学的迅猛发展，让我们看到很多不可想像的设计软件和产品……。不得不承认我们这一代人的确是老了，己经没有精力再去拼搏，该谢幕了。

我们这一代人的目标是向衍射极限逼近，而我们的下一代的目标则是向衍射极限的超越。

最后谢谢同行们的鼓励。特别要感谢上理工89岁高龄的贺莉清老教授，在看了我发的《回顾光学设计50年……》后，给我发来了数页的语音通话。让我倍受感动……。

总结此生，我只做了一件事，就是光学设计。我力所能及的事，也只能到此为止了，超衍射极限的重任，只能留给你们。期盼更多的文静、赵苗再接再励不断进取勇攀高峰…。向未来的成功者致敬！

同时也愿意与光学设计微信交流群的年轻同行们分享与共勉……。

　　在网上搜了一个纳米光子学的简介，供我们这些外行们参考详见附录，有益无害。

附录

纳米光子学原理研究

随着科技的发展，纳米技术正在被广泛研究和应用，尤其是在光学领域。其中一门重要的学科是纳米光子学，即研究纳米尺度下光的相互作用和调控的学科。本文将介绍纳米光子学的原理、研究方法和应用前景。

一、纳米光子学的原理

纳米光子学的原理基于光的特性和纳米材料的结构。光是一种电磁波，它在空间中传播时会受到材料的折射、反射和干涉等效应的影响。当光与纳米尺度的物体相互作用时，光的行为会发生显著改变。这是因为纳米尺度的物体具有特殊的形状和结构，可以对光进行强烈的局域化调控。

纳米光子学的研究对象包括纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米孔洞等。这些纳米结构可以通过制备方法控制其形貌、尺度和分布，从而实现对光的调控。例如，纳米颗粒可以通过表面等离子共振的效应吸收和发射光，纳米线可以作为激光器的增益介质，纳米片和纳米孔洞可以用于调制光的传播和波前调控。

二、纳米光子学的研究方法

纳米光子学的研究方法主要包括制备纳米结构和表征光学性质两个步骤。

制备纳米结构的方法多种多样，常用的包括物理气相沉积、溶液法制备、电子束曝光和纳米压印技术等。这些方法可以实现从二维到三维的纳米结构制备，并且具有高精度和可扩展性。

表征光学性质的方法主要包括光谱学、显微镜等。光谱学可以通过测量材料在不同波长下的吸收、发射和散射来研究其光学行为。显微镜可以观察材料的形貌和局域化光学现象，例如局域表面等离子共振和增强拉曼散射等。

三、纳米光子学的应用前景

纳米光子学在许多领域具有广泛的应用前

景。

首先，纳米光子学可以用于光学信息存储和传输。通过将纳米结构嵌入到光学存储介质中，可以实现高密度和高速度的信息存储和读取。此外，纳米光子学可以用于提高光纤通信系统的传输性能，例如通过引入纳米颗粒来增强光纤的非线性效应，实现光纤通信的非线性光学信号处理。

其次，纳米光子学在传感和检测领域具有潜在应用。纳米结构可以通过与目标分子相互作用来改变其光学性质，从而实现对目标分子的高灵敏度检测。这种基于纳米光子学的传感器可以应用于生物医学领域，例如检测病原体和药物分子。

此外，纳米光子学还可以用于光催化和太阳能利用。纳米结构具有较大的比表面积和光激发效应，可以用于增强光催化反应的效率。此外，纳米颗粒和纳米线可以作为太阳能电池的增强层，提高太阳能转换效率。

综上所述，纳米光子学是一门前沿的科学研究领域，通过对纳米材料与光相互作用的研究，可以实现对光的高度调控和操控。纳米光子学的研究方法多样，应用前景广泛。随着技术的不断突破和进步，纳米光子学将为光学领域的发展带来新的机遇和挑战。

制片人 徐福侯 (1938～)

写于 2024年3月