复旦大学光子晶体课题组长期聚焦光子晶体等微纳光子材料的光场调控研究和针对微纳材料和器件的先进光学量检测技术的开发和应用，与上海复享光学股份有限公司合作在基础创新、技术突破和产学研转化方面取得了一系列成果。 一、项目分类 显著效益成果转化 二、成果简介 当今，光，作为几乎所有远程探测的手段和信息传播的媒介，对光的多维度测量分析和自由调控，既直接关系到未来信息收集、处理和传输的灵敏度和速率，也与先进微纳制造的精度、效率和能耗等诸多国家核心技术的竞争力息息相关。 复旦大学光子晶体课题组长期聚焦光子晶体等微纳光子材料的光场调控研究和针对微纳材料和器件的先进光学量检测技术的开发和应用，与上海复享光学股份有限公司合作在基础创新、技术突破和产学研转化方面取得了一系列成果。 在基础创新方面： ①动量空间光学测量思想：光与微纳结构的相互作用遵循频率-动量色散关系，也被称为光子能带。在原理上，类似于半导体利用其电子能带操控电子，光子晶体等微纳光子材料也可以通过光子能带操控光。而光子能带的本质存在于动量空间。相比于已经商业化的可探测固体材料动量空间中复杂电子能带的多维度角分辨光电子能谱设备，针对光子晶体等光子材料动量空间中光子能带的多维度光谱测量技术和设备在全世界尚属空白，亟需发展。团队突破了传统光谱测量思路，提出了从动量空间视角量检测微纳光子器件光学性能的思想。 ②适合微纳尺寸器件的动量空间成像技术：微纳尺寸的测量依赖显微镜。但显微技术在追求实空间分辨率的同时丧失了动量空间的分辨能力。此成果将傅里叶光学技术与显微技术相融合，解决了动量空间成像的像差和色差问题，实现了实空间和动量空间的双高分辨率。 ③多维度光学信息提取：相位和偏振态是可供光子器件信息调制的新自由度。团队将时域外差干涉技术延拓到具有显微分辨能力的动量空间外插干涉技术，单次成像实现了在光波长尺寸内40毫弧度的相位测量精度。同时，建立了适合于动量空间成像测量技术的耦合模理论，实现了在非相干的白光照明下任意椭圆偏振态的测量。 ④光学量测中国解决方案：处于芯片产业上游的微纳制程光学量测环节，是芯片良品率控制的关键。在此关键领域，我国远远落后于国际先进水平。动量空间成像光谱技术所采集的多维度光谱信息富含微纳结构的三维形貌信息。团队提出并实现了基于动量空间成像光谱技术的全新光学微纳制程量测新原理和新技术。该原理利用深度神经网络构筑了微纳米尺度结构与动量空间色散的构效关系和映射。同时，由于在所测量的色散关系中包含了冗余的结构信息，因此在实际技术应用中极大优化了量测逆问题中测量噪音带来的病态问题。 ⑤相关成果：团队以通讯作者发表1篇Nat.Photon.，1篇Nat.Commun.，3篇PRL，4篇Light：Sci.&Appl.，1篇Sci.Bull.，1篇Light:Advanced Manufacturing等国内外高水平期刊论文。动量空间成像光谱技术使动量空间得以被直接实验观测，并成为发现新光场调控机制的眼睛。团队利用此技术首次实验揭示了动量空间中存在具有拓扑奇点的偏振场，提出了动量空间中光场调控的新思路，开辟了光子晶体在全偏振态、涡旋光束生成和光束位移操控方面的新应用。由于周期性光子晶体无几何中心，因此不需光学对准，具有应用价值，成果被评为2020年度中国光学十大进展，入选ISI高被引论文。日本NTT首席科学家Notomi在Nat.Photon.上以"动量空间中的拓扑成真"为题对团队工作进行专题报道，给予高度评价。 在技术突破方面： ①在国际上首次实现了广谱符合阿贝正弦关系的动量空间成像光谱设备。其中动量分辨率小于1.7毫弧度，实空间分辨率小于600纳米，相位分辨率小于40毫弧度，最大偏振度误差小于1%，波长分辨率小于0.1纳米。 ②结合产业需求和动量空间成像光谱技术的优势，提供了一系列产业问题的分析解决方案，包括利用动量空间偏振依赖的辐射分布量测发光分子三维取向分布和利用动量空间光子色散关系逆向量测微纳结构纳米精度的三维形貌等。实测结果达到亚纳米分辨稳定性和98%以上的置信度，测量膜厚与计量认证厚度差异小于5埃。 ③相关成果授权发明专利9项，在申请PCT国际专利2项。

在各种工业过程中，液滴撞击到固体表面形成液膜的现象广泛存在，如选择性催化还原（SCR）系统中汽车尾气排放管上尿素溶液液膜的形成等。对液膜进行定量分析不仅能更好的了解液膜形成和蒸发这个极其复杂的物理过程的本质，也对优化所涉及的各种工业过程具有非常重要的意义。在许多情况下，溶液液膜厚度以及液膜内部的成分浓度是密切相关的，对其机理等的研究中这些参数相互耦合，给模型建立和求解带来困难。传统的测量方法只能实现对单个参数(厚度或浓度)的测量，无法同时测量。本项目基于比尔-朗伯定律建立溶液液膜多参数反演模型。基于不同浓度的溶液在红外区域高精度的吸收光谱，通过对溶液吸收系数与浓度的关系进行优化分析组合两个波数位置，实现对溶液厚度及浓度高精度、高灵敏度的测量。

本发明公开了一种可见光宽带光谱图像配准方法，包括对图像进行灰度化、去噪和降采样处理，利 用 SIFT 算法提取图像特征点并构造特征描述算子;通过 k-d 树最近邻方法对特征点进行匹配，对匹配 特征点进行坐标升采样处理;根据图像退化阈值 T，利用欧式距离对错误匹配点进行约束，获得约束后 匹配点集 ΩN;对约束后匹配点集进行 m 对匹配点空间均匀采样，获得均匀分布的匹配点集 Ωm;利用最 小二乘方法求解图像放射变换参数矩阵 Tm，利用 Tm 对待配准图像进行坐标变换和双线性插值计算;以 参考图像和配准图像的互信息 MIm 作为评价指标，锁定最大互信息 MImax 对应的配准图像，实现可见光 宽带光谱图像的配准。本发明能显著降低错误匹配点数目、提高图像配准精度。

本成果针对并下极端环境建立BO和B1两处正交核磁共振条件和低信噪比检测的术瓶颈,突破室内核磁共振成像和国外井下核磁共振局限,创新设计出异型磁体和定向天线构的井下核磋共振探头碰体、探头和核磁共振仪器,使静磁场与射频磁场在预设区域动态正交,实现居中、编心以及分区扫描等探测特性的仪器创新。在增加有效探测深度的同时,还增强了探头的整体机械特性,降低装配工艺要求,具有稳定高、抗干扰性强的特点。

液体磁性磨具是由我在国际上首先提出并研制成功的一种新型精密光整加工技术，具有良好的材料适应性，可以实现对各种金属材料零件、陶瓷材料零件等的光整加工，可以获得较低的表面粗糙度 值，具有良好的可控性，可方便的通过调节磁场强度来控制整个加 工表面或局部表面研磨压力的大小，且光整加工所需要的设备简单，对设备的精度要求不高，可以方便地应用于生产实践，在复杂 型面、孔等表面精密加工方面具有具有明显的优势，居国内领先水平。

并网逆变器作为太阳能光伏并网发电系统的核心组成部分，对提高太阳能转换效率、输出高品质电能起着关键作用。光伏并网逆变器核心技术主要包括最大功率跟踪、直流变换电路、逆变控制技术和孤岛检测等。光伏组件将太阳能转化为直流电，经直流变换电路提升并稳定直流电压输出，再通过并网逆变电路将直流电转化为交流电，利用数字锁相技术和逆变控制技术，将与电网同频同相的高品质电能馈入电网，为保证并网发电系统不危及电网输电线路安全，孤岛检测技术能实时检测系统是否处于孤岛状态并能停止并网运行。本项目主要利用先进数字控制技术实现最大功率跟踪、逆变闭环控制、孤岛检测及系统保护等，特别在大功率三相并网发电逆变系统高品质输出的控制技术及太阳能直流电到输出电能的高转换率技术方面有技术积累。采用自主研发的控制技术，使得并网输出电流总畸变率低，输出功率因素高且可调，系统发电效率高。光伏并网发电监控软件可实时远程监控多台并网逆变器工作状态，具有记录、存储、图形化显示系统各项输出如电压、电流、馈入电网电能数量等功能。

并网逆变器作为太阳能光伏并网发电系统的核心组成部分，对提高太阳能转换效率、输出 高品质电能起着关键作用。光伏并网逆变器核心技术主要包括最大功率跟踪、直流变换电路、 逆变控制技术和孤岛检测等。光伏组件将太阳能转化为直流电，经直流变换电路提升并稳定直 流电压输出，再通过并网逆变电路将直流电转化为交流电，利用数字锁相技术和逆变控制技 术，将与电网同频同相的高品质电能馈入电网，保证并网发电系统不危及电网输电线路安全， 孤岛检测技术能实时检测系统是否处于孤岛状态并能停止并网运行。 本项目主要利用先进数字控制技术实现最大功率跟踪、逆变闭环控制、孤岛检测及系统保 护等，特别在大功率三相并网发电逆变系统高品质输出的控制技术及太阳能直流电到输出电能 的高转换率技术方面有技术积累。采用自主研发的控制技术，使得并网输出电流总畸变率低， 输出功率因素高且可调，系统发电效率高。光伏并网发电监控软件可实时远程监控多台并网逆 变器工作状态，具有记录、存储、图形化显示系统各项输出如电压、电流、馈入电网电能数量 等功能。

北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室徐海潭研究员和耶鲁大学Jack Harris教授研究组、芝加哥大学Aashish Clerk教授合作，在光力学研究中取得重要进展。成果以“Nonreciprocal control and cooling of phonon modes in an optomechanical system”为题发表在《自然》（Nature）上（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1061-2）。该工作提出了基于光力相互作用的非互易声子耦合新原理，实现了非互易的声子传递和新型光力制冷方法。 学谐振子在现代科技和生活中具有广泛的应用，大到引力波探测装置，小到我们身边的手机，涉及传感、变频、滤波等重要器件。一般的谐振子器件是互易的，即器件内部或者两个器件之间的声子传递和方向无关。而非互易的谐振子器件对于全双工声子信号收发、声子隔离等有着非常关键的作用，甚至还可以用来对热能进行单向传递，使冷的物体更冷，热的物体更热。图a，基于光力相互作用的非互易声子耦合机制。b，通过控制激光相位，声子隔离度±30分贝连续可调。 光力学是光学和力学相结合的新兴科研领域。光力相互作用可以用于光学和力学模式的精密调控和测量，有着重要的物理意义和实际应用。这个工作中的光力学系统由超高品质因子的氮化硅纳米薄膜和高精细度光学腔构成。激光将声子从纳米薄膜的一个谐振模式转化为光子，再变回另一个谐振模式中的声子。多束激光的物理效应互相干涉，使声子传递增强或者减弱。通过控制激光相位，实现了声子隔离度在±30分贝范围内连续可调（如图所示）。在徐海潭等人之前的工作（Nature 537，80 （2016））中，他们通过拓扑操作实现了瞬态的非互易声子传递，而在最新的工作中，他们通过光力相互作用产生了声子模式间静态的非互易耦合，从而实现了稳定的非互易声子传递。 进一步地，徐海潭等人实现了用非互易相互作用来调控并观测谐振子的热力学涨落。当声子传递是双向的时候，两个谐振模式通过交换热声子，对应的温度会互相接近。而当声子传递是单向的时候，被隔离的谐振模式把热声子传递给另一个谐振模式，这使得被隔离模式的热声子数减少，因此降低温度，而另一个模式则升高温度。从而通过非互易声子传递实现了一种新型的光力制冷技术。该研究中所包含的创新方法也可以推广应用于其他电子、力学和光学等系统。 研究工作得到北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、教育部纳光电子前沿科学中心和量子材料协同中心的支持。

磷化铟基集成高速光开关芯片

本发明公开了一种气溶胶的消光法检测系统，属于工业无损检测设备技术领域，包括准直透镜组、胶体吸收池、凸透镜、传感器、直流稳压电源和激光器连接准直透镜组，两个相同的直角棱镜分别置于胶体吸收池两侧，准直透镜组与胶体吸收池连接，胶体吸收池外侧装有光阑、凸透镜、数据采集端安装有传感器、数据采集系统、计算机；有益效果是解决了二次测量中输出光束平移问题，提高了工业中气溶胶检测的灵敏度，使检测结果更加准确。