2025年光学科学五大新兴趋势

光学技术正在推动航空航天、国防、生物医学工程和数字制造等关键领域的创新。本文将重点介绍2025年光学科学领域五项最具前景的发展趋势。

1. 螺旋二色性空心光纤推动涡旋光通信

马克斯·普朗克光学研究所（MPL）的研究人员利用新型螺旋空心光子晶体光纤，首次在可见光谱中实现了超强宽带螺旋二色性（HD）。这种光纤结构通过25厘米长的单环空心光子晶体光纤（SR HC-PCF）实现，其螺旋设计可选择性传输携带轨道角动量的光模式（即光学涡旋）。相比传统光纤，该设计在涡旋通信和模分复用领域潜力巨大。

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螺旋空心光子晶体光纤

实验显示，螺旋空心光纤的衰减比超过10 dB，数值模拟表明其光损耗随偏振态变化差异可达100 dB/m以上。这一突破为空心波导的高精度偏振元件开发奠定了基础，未来或应用于手性传感领域。

2. 级联模式干涉仪：实现先进线宽控制

哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）团队开发了一种新型级联模式干涉仪。与传统马赫-曾德尔干涉仪（分光双路径）不同，该设计基于绝缘体上硅（SOI）平台，利用单根多模波导内的横向模式干涉控制光振幅与相位。

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级联模式干涉仪的结构示意与工作原理图

通过透射模式转换器（TMC）实现模式耦合，并结合波导有效折射率和传播常数的精细调控，该系统展现出高度可调谐性。测试表明，其传输峰谷更窄且可调，灵敏度和灵活性远超传统设计。紧凑的集成架构使其成为下一代光学传感与信号处理的核心平台。

3. 超紧凑游标微梳原子钟：提升GPS精度

光学原子钟凭借超高精度计时能力，对全球定位系统（GPS）等技术至关重要。近期，美瑞联合团队开发了基于双微梳的可扩展系统，支持微型化光学原子钟。

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游标双微梳方案概述

该系统采用覆盖一个倍频程的太赫兹重复频率微梳与一个宽带次级微梳，集成于氮化硅芯片上，仅需两个反馈伺服即可将871 nm连续波激光分频至235 MHz射频时钟信号。结合片上热调谐元件，该平台可检测环境变化，为卫星导航、安全通信等高精度计时场景提供低功耗解决方案。

4. 首个193 nm深紫外涡旋光束：拓展激光应用

深紫外（DUV）激光因高光子能量、短波长等特性，在相干性、灵敏度和能效方面优势显著。中国团队近期在《Advanced Photonics Nexus》发表成果，首次开发出可生成193 nm涡旋光束的紧凑固态纳秒脉冲激光系统。

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具有紧凑设置的深紫外固体激光器可在 193 nm 波长处产生涡流

该系统以1030 nm高功率脉冲激光为种子源，经掺镱YAG晶体放大后分两路：一路通过两级光参量放大器（OPA）生成1553 nm光束，另一路产生258 nm光束；再经两级和频生成（SFG）分别输出221 nm和193 nm相干光束。实测193 nm涡旋光束线宽低于880 MHz，光谱纯度优异，可应用于半导体光刻、纳米结构加工及高精度缺陷检测。

5. 可量产硅光量子计算平台：百万量子比特之路

光量子计算领军企业PsiQuantum近期在可扩展硅光量子平台研发中取得重大突破。其“Project Omega”项目已募资4.5亿美元，旨在开发模块化量子架构。该平台基于单片集成硅光芯片，整合高性能单光子源和钛酸钡光学开关，支持大规模量子纠缠与逻辑运算。

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可扩展硅光量子平台

测试数据显示：

单量子比特状态制备与测量（SPAM）保真度达99.98%；

芯片间量子比特互联保真度达99.72%。

结合低温低噪架构，该平台有望成为首个实用级光量子计算解决方案，应用于密码学、材料模拟等领域。