光學技術正在推動航空航天、國防、生物醫(yī)學工程和數(shù)字制造等關鍵領域的創(chuàng)新。本文將重點介紹2025年光學科學領域五項最具前景的發(fā)展趨勢。

1. 螺旋二色性空心光纖推動渦旋光通信

馬克斯·普朗克光學研究所（MPL）的研究人員利用新型螺旋空心光子晶體光纖，首次在可見光譜中實現(xiàn)了超強寬帶螺旋二色性（HD）。這種光纖結構通過25厘米長的單環(huán)空心光子晶體光纖（SR HC-PCF）實現(xiàn)，其螺旋設計可選擇性傳輸攜帶軌道角動量的光模式（即光學渦旋）。相比傳統(tǒng)光纖，該設計在渦旋通信和模分復用領域潛力巨大。

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螺旋空心光子晶體光纖

實驗顯示，螺旋空心光纖的衰減比超過10 dB，數(shù)值模擬表明其光損耗隨偏振態(tài)變化差異可達100 dB/m以上。這一突破為空心波導的高精度偏振元件開發(fā)奠定了基礎，未來或應用于手性傳感領域。

2. 級聯(lián)模式干涉儀：實現(xiàn)先進線寬控制

哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）團隊開發(fā)了一種新型級聯(lián)模式干涉儀。與傳統(tǒng)馬赫-曾德爾干涉儀（分光雙路徑）不同，該設計基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用單根多模波導內(nèi)的橫向模式干涉控制光振幅與相位。

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級聯(lián)模式干涉儀的結構示意與工作原理圖

通過透射模式轉換器（TMC）實現(xiàn)模式耦合，并結合波導有效折射率和傳播常數(shù)的精細調(diào)控，該系統(tǒng)展現(xiàn)出高度可調(diào)諧性。測試表明，其傳輸峰谷更窄且可調(diào)，靈敏度和靈活性遠超傳統(tǒng)設計。緊湊的集成架構使其成為下一代光學傳感與信號處理的核心平臺。

3. 超緊湊游標微梳原子鐘：提升GPS精度

光學原子鐘憑借超高精度計時能力，對全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術至關重要。近期，美瑞聯(lián)合團隊開發(fā)了基于雙微梳的可擴展系統(tǒng)，支持微型化光學原子鐘。

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游標雙微梳方案概述

該系統(tǒng)采用覆蓋一個倍頻程的太赫茲重復頻率微梳與一個寬帶次級微梳，集成于氮化硅芯片上，僅需兩個反饋伺服即可將871 nm連續(xù)波激光分頻至235 MHz射頻時鐘信號。結合片上熱調(diào)諧元件，該平臺可檢測環(huán)境變化，為衛(wèi)星導航、安全通信等高精度計時場景提供低功耗解決方案。

4. 首個193 nm深紫外渦旋光束：拓展激光應用

深紫外（DUV）激光因高光子能量、短波長等特性，在相干性、靈敏度和能效方面優(yōu)勢顯著。中國團隊近期在《Advanced Photonics Nexus》發(fā)表成果，首次開發(fā)出可生成193 nm渦旋光束的緊湊固態(tài)納秒脈沖激光系統(tǒng)。

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具有緊湊設置的深紫外固體激光器可在 193 nm 波長處產(chǎn)生渦流

該系統(tǒng)以1030 nm高功率脈沖激光為種子源，經(jīng)摻鐿YAG晶體放大后分兩路：一路通過兩級光參量放大器（OPA）生成1553 nm光束，另一路產(chǎn)生258 nm光束；再經(jīng)兩級和頻生成（SFG）分別輸出221 nm和193 nm相干光束。實測193 nm渦旋光束線寬低于880 MHz，光譜純度優(yōu)異，可應用于半導體光刻、納米結構加工及高精度缺陷檢測。

5. 可量產(chǎn)硅光量子計算平臺：百萬量子比特之路

光量子計算領軍企業(yè)PsiQuantum近期在可擴展硅光量子平臺研發(fā)中取得重大突破。其“Project Omega”項目已募資4.5億美元，旨在開發(fā)模塊化量子架構。該平臺基于單片集成硅光芯片，整合高性能單光子源和鈦酸鋇光學開關，支持大規(guī)模量子糾纏與邏輯運算。

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可擴展硅光量子平臺

測試數(shù)據(jù)顯示：

單量子比特狀態(tài)制備與測量（SPAM）保真度達99.98%；

芯片間量子比特互聯(lián)保真度達99.72%。

結合低溫低噪架構，該平臺有望成為首個實用級光量子計算解決方案，應用于密碼學、材料模擬等領域。