对工作在深紫外波段（小于200nm）的全固态激光器的探索已经成为了一个热门的研究领域。我们开展氟化物非线性光学晶体的生长、理论、性能和应用研究。我们将通过理论计算、晶体生长和实验测量等三方面，全面遴选具有良好深紫外非线性光学性能的晶体，并利用这些晶体实现深紫外相干光的输出，制造深紫外全固态激光器原型，将其短波输出极限推进到160nm以下。

深紫外钡镁氟非线性光学晶体          钡镁氟晶体的自相位调制

    建立上千公里的实用化量子通信网络需要同时满足高重复频率、高带宽和低损耗的量子纠缠分发量子中继技术。其中，基于非线性频带转换的光互联技术的量子接口技术是关键。我们将发展非线性频率转换技术，实现纠缠光子在适合远距离光纤传输通信波段和适合存储的近红外波段之间自由切换；探索波分复用的频率转换技术，这对提高量子网络的通信速度有潜在应用价值。

    光流体通过操控光和流体在微纳尺度上的相互作用来制作高集成多样性的器件和系统，是现代光学、光电子学与微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科与技术。我们利用液体在微通道中的互相作用产生的液滴或者层流效应,以及流体的独特优势例如液体折射率和表面形状的易调节性、光滑的液-液交界面等特性制作小体积低功耗的集成化的光学芯片元件。此外，我们还通过光学方法监测微流控芯片上的流体行为，探索其在微全分析系统中的新应用。

                             集成光流体干涉仪                           利用光信号实时表征微液滴             

     二氧化钛纳米管作为独特的功能材料，在很多领域具有重要的应用潜力。采用电化学阳极氧化制备二氧化钛纳米管，可精确控制其生长过程，设计制备出新型二氧化钛纳米结构，使其具有独特的光子学特性和功能。例如采用特定的脉冲电流阳极氧化制备周期结构的纳米管作为光子晶体材料。沿轴方向具有周期结构的薄膜显现出各种不同的颜色和透明度。以及在氧化性气氛中对高质量的纳米管自由薄膜高温结晶，显著提高纳米管的结晶度，减少电子俘获态数目，提升电子传输速率。这类新型的二氧化钛纳米管可以在纳米尺度上实现对光子和光电子的调控，在染料敏化太阳能电池、光催化降解等能源光子学应用中发挥重要作用。

          
         纳米管光子晶体透明薄膜                高结晶度纳米管电极

     常压微等离子体最显著的特点是其总处于非平衡态。所谓非平衡态等离子体即等离子体中电子温度通常大于离子温度，离子温度通常大于中性基团温度。就电子自身而言，也常常不是处于热平衡态的，其电子能量分布并不满足麦克斯韦分布。常压微等离子体的非平衡特性使之成为有力工具。鉴于其能够提供高活性的物质体系，产生热辐射和光辐射，常压微等离子体被广泛用于化学分析、生物医药、显示、纳米技术等领域。相比于应用于半导体产业低气压等离子体，常压微等离子体不需要真空泵设备因而能够方便地实现集成化和便携化。尽管如此，要获得在密度、电子温度和电子、离子能量谱可控的等离子体仍是现代等离子体物理中的一大难点，其主要原因在于我们对等离子体动力学和非线性性质理解不够深入。课题组近年主要致力于非平衡微等离子体的热力学性质、不稳定性和非线性质。

微等离子体作用于自来水表面形成的自组织斑图（同心圆环）

     常压微等离子体无需真空的特点，使之可用于处理液体样品，辅助液相化学反应，并由此推动电化学、等离子体科学、流体力学和生物医用技术的发展。尽管如此，有关等离子体和液体相互作用机理，仍是人们目前面临的主要难题，而等离子体和液体的耦合动力学也成为目前等离子体科学的最新方向之一。碳量子点是近年来发现的以碳为骨架结构的新型纳米材料，具有良好的生物相容性和光学性质等，在生物标记、生物传感等领域都体现出重要的应用价值，其中合成荧光波长在400-700 nm间可调的碳量子点是该领域科研工作者的共同追求。基于微等离子体和液体相互作用，我们近期成功合成蓝色荧光碳量子点。相对于目前已报道的碳量子点制备方法，该方法最大的优点即环保。课题组近期以合成荧光波长可调的碳量子点着眼点，研究等离子体-液体作用界面物理化学过程的时空演变。

等离子体辅助电化学反应合成荧光蓝色碳点

     类似于集成电子芯片，集成光学芯片由于其可扩展性强，能耗更小，可以同时集成各种光学和电子器件，包括电注入光源，量子光源，和光电量子探测器，从而实现信号的电学输入输出和芯片的光信息/量子信息的处理。相较于硅基集成和半导体材料的集成光子器件，铌酸锂材料由于其出色的非线性特性，宽透明波段及其畴反转超晶格材料在量子光学上的出色应用而在近几年来受到广泛关注。

     因此基于此类人工微纳结构非线性超晶格材料的一些新颖的非线性和量子光学效应，我们将主要开展其在微纳米电光效应，纳米非线性光学效应，纳米光机械效应及量子非线性光子学领域的基础和片上集成光子芯片应用研究。

     随着激光技术的迅速发展，尤其是在实现短脉冲激光的研究上取得的快速 发展，也促使了飞秒激光微加工技术的进步。相对于长脉冲激光，飞秒激光加工具有阈值效应明显、极小的热影响区域、溅射物低、可控性高等特点。极高峰值强度和极短脉冲宽度的激光脉冲与材料作用时，飞秒激光能量快速的被一个区域吸收，能量沉积并且使得电子的运动和吸收方式都改变了，这让飞秒激光微加工实现“冷加工”方式成为了可能。

     我们将主要研究飞秒激光微加工在微纳制造领域中应用，例如，利用飞秒激光加工光波导、表面微结构、微流体装置、微传感器、三维光子晶体结构等。同时关注其对于各种材料的加工机理基础研究。

    纳米光子学研究纳米尺度上光和物质的相互作用的新物理，其在光信息和光电器件的进一步微型化和集成化具有重要的应用意义。我们主要着重于以下几个方向的研究：基于金属或者石墨烯材料的Surface Plasmonic Polaritons的研究（石墨烯SPPs）；纳米尺度上的非线性光学效应的增强和利用(非线性SPPs)；具有拓扑绝缘特征的光学超材料结构支持的单向传输的表面态（光学拓扑绝缘体）；传输太赫兹波的波导（THz）。

金属纳米线表面的metasurface结构       周期性patterened的石墨烯单原子层
用以产生Plasmonic nonovortices        提供了一个执行可调纳米光子学的平台

     学科之间的互相交流对于促进学科的融合和相互发展具有重要的意义。凝聚态物理研究领域的一些重要进展往往给光学研究带来新的机会，而光学现象的高度可视化和可控性为研究和观察凝聚态物理的一些概念和现象提供了独特的手段。我们近期将凝聚态领域内重要的Anderson 局域和宇称-时间对称(Parity-Time symmetry)概念在严格的Maxwell方程组框架下作了考察，证明了这些概念在Maxwell方程组框架下的成立，并发现了由于光波的矢量性和非傍轴性带给这些概念的新特征。

SPP波的安德森局域，突破了衍射极限

Parity-Time 对称在Maxwell方程组框架下的考察：对称性可以先破缺，后回归

    非线性空间光学研究利用光学的非线性效应控制光的空间行为 ,如控制光斑的尺寸, 光斑的形态, 光束的传输方向,光束之间的相互作用等。 非线性空间光学在全光路由和全光开光等领域有潜在的用途。

             
非线性金属纳米线支持的                           Plasmonic Lattice Soliton
Plasmonic Lattice Solitons                     的传输方向和输出位置取决于光功率

     显微镜打开了人类认知微观世界的大门，借助光学显微镜人们能观察到微米量级的物体，推动了物理、化学、生物等领域的发展。但在1873年，Abbe发现了传统显微镜存在分辨率的极限，小于半个波长的物体是无法被分辨的。如何实现超分辨的成像就此成为了一个热门问题。2014年的诺贝尔化学奖就颁给了发明纳米级荧光显微镜的科学家。

     我们提出利用非线性的方法来突破衍射极限，并用坚实的实验结果作为论证。如实验上证明利用四波混频可以实现非线性的负折射成像，平面玻璃可以变成是平面透镜，凹透镜能成放大的像。这些都为超分辨成像打下了坚实基础。

Flatlens成像实验

     光学微腔利用回音壁模式把光拘束于微米级的小空间内，使其光场大大增强。这样给了非线性光学带来了很好的平台，我们基于这样的新型平台研究腔中各类光学非线性现象，启在用于全光信息、量子信息等前沿领域。

     开发紫外光/臭氧表面光氧化真空设备技术，以该技术为核心开展其提高石墨烯光学、电学性能和石墨烯薄膜图形化等相关领域的基础和应用研究。目前，已先后开发出两套具有自主知识产权的紫外光氧化高/低真空设备系统，并围绕该技术开展相关的基础研究和应用开发。

自主开发的具有产权的紫外光氧化高（左）、低（右）真空设备

     利用紫外光氧化技术对大面积石墨烯薄膜进行氧化刻蚀，实现大面积的光致发光以及对发光性质的调控。利用纳米光子学的研究手段，探索石墨烯纳米结构光致发光的物理机制，为其在纳米光子学和光电器件中领域的应用奠定基础。

（a）石墨烯光学形貌图(b)紫外光氧化后在364 nm激光激发下的扫描共聚焦显微镜成像
（每个线段长度代表20μm）

     利用石墨烯具有优异的电学性质以及宽带吸收的光学特性。其表面改性后可能引起能带结构的变化，利用一些特殊的物理效应，设计和制备石墨烯光电探测元件，开发其从紫外光至近红外波段的应用。

利用微纳加工技术制备的石墨烯探测器基本单元，黄色为金属电极（正方点阵周期为10 μm）