微纳光学主要研究在光学衍射极限及突破衍射极限尺度下（即光的波长和亚波长尺度）的光学现象及应用。从紫外、可见至近红外光学波段,这个尺度在微米、百纳米乃至几十纳米的范围之内。微纳光学着重研究这一特征尺度下的光与物质的相互作用,光场的产生、传输与调制、光子能量转换等物理过程,以及光在信息的获取、传输与处理等方面的应用。借助微纳结构在光的特征尺度下操纵光场,大大增强了人们对光的调控能力,更加有效地发挥出光子作为信息和能量载体的作用。目前,针对不同的材料体系,主要的微纳结构有光子晶体、超构材料（meta materials）、表面等离激元、光学超晶格、微纳结构光纤与波导、量子点、量子阱等。

20世纪80年代末,光子晶体概念的提出将传统光学的研究从宏观尺度推进到波长相当的微米尺度,从均匀材料拓展到微结构材料,引领了20余年微纳光学的发展。进入21世纪以后,等离激元光子学、超构材料等研究的兴起进一步将光学研究拓展至亚波长甚至纳米尺度,微纳光学的研究范畴越来越充实和清晰。回顾近10年微纳光学的发展,科学家们最关心的重要热点问题大致如下。

（1）超分辨成像

超分辨光学成像是人类追求获取信息的空间极限。虽然电子显微镜技术将人类的观测能力拓展到原子级,然而光学显微特别是针对生物等活体样本的显微成像还是人们不断追求的目标。2014年诺贝尔化学奖授予荧光超分辨成像技术,说明了此研究的重要性。与荧光显微相比,另一种更为“物理”的超分辨光学成像是21世纪初提出的超透镜研究。国际上多个研究组先后发展出多种基于超构材料的从近场到远场的超分辨技术,并被应用于成像、光刻等领域。目前有关超透镜的器件和应用研究还在推进。

（2）超表面及多维光场调控

人们为了避免光在金属基超构材料中传播的巨大损耗,提出仅具有一薄层的超表面,它可以通过局域相位设计,打破传统光的折射反射定律,具有强大的光场调控能力。目前人们已发展出基于局域共振和几何相位的调制方法,并用金属、介质不同材料在近红外、可见光实现了角动量涡旋光束、大视角全息、高数值孔径透镜等功能器件,正继续向低损耗、色差调控、动态可调、高维信息复用等目标发展。

（3）光子晶体和拓扑光子学

光子晶体经历了近20年的研究,人们对光子能带的调控能力获得长足的进步,发展出如光子晶体光纤、光子晶体激光器等应用器件,这些研究还在进一步拓展。在基础研究方面,近年来,光子晶体也成为研究拓扑光子学和宇称时间反演对称性的研究平台,该研究已在微波和硅基波导体系中获得重要进展,并有望在光单向器、环形器等集成器件中获得应用。此外,通过光子能带调控的谷光子学也是当前微纳光学研究的前沿热点。

（4）亚波长光子回路

集成光子学的发展要求光像电路一样进行大规模集成,而光波长限制了它的集成度,目前在硅基光子集成领域正面临高密度低串扰波导设计等主要问题。随着等离激元光子学的发展,金属波导中的高局域表面等离激元（SPP）为亚波长光子集成提供了新途径。这在一定程度上为实现高局域的亚波长光子集成提供了技术方案,但金属损耗可能是制约其发展和实际应用的主要障碍。目前人们期望构建SPP某种功能单元（如分束器、调制器、波分复用器等）,然后再让这些功能单元与其他低损耗波导混合集成。此外,随着量子信息技术的发展,在硅、铌酸锂等材料体系中引入微纳结构,研究光量子态在这些微纳结构中的演化,进而开展量子集成光学研究也是当前的一个重要的研究动向。

（5）纳米激光器

纳米光源是进行有源光子集成的基本环节,纳米激光器研究吸引了众多研究者的兴趣。构建高增益的纳米谐振腔是实现纳米激光的关键。传统方法受限于光波长而很难实现,等离激元模式提供了突破衍射极限的途径。人们提出受激等离激元辐射（SPASER）的概念,并在金属包裹纳米线、杂化波导、回音壁等体系中实现。目前,最小的纳米激光器已经达到几十纳米尺度。进一步的研究将围绕其功能集成和高灵敏探测等展开。

（6）高灵敏检测

纳米光子学的蓬勃兴起还得益于其高度的局域场增强效应。人们通过各种金属纳米结构实现了高局域的等离激元光场增强,从而获得一系列拉曼、荧光增强等效应,并用于生物荧光标记、单分子探测等高灵敏检测中。然而由于这种场增强“热点”与作用物质的不确定性,使得实际定量检测还有困难。人们正努力实现定标定量的高灵敏检测。另一类实现光与物质强相互作用的方法是利用高品质因子的回音壁微腔,这也是微纳光学领域的研究重点,高Q值可以让光子与物质相互作用时间增加,从而达到作用增强的目的,也可以用于高灵敏检测。

（7）高效能量转换

高局域的等离激元场增强效应在增强光与物质相互作用的同时也实现了光子能量吸收与转换。很多研究者利用金属吸收损耗大的特点,设计了各种金属微纳结构来实现针对太阳能频谱范围的宽带吸收和对各种热源进行宽带吸收和窄带定向辐射。有研究者通过将分散的金属纳米颗粒组装在多孔氧化铝模板中,利用等离激元增强的太阳能吸收热效应将吸附的水蒸发,达到水纯化效果。除了此类光热转换外还有很多利用纳米光场实现光电转换的研究。

根据SCI论文统计数据（见表1）,2009年中国在微纳光学领域发表的SCI论文总量仅次于美国,远高于其他国家和地区;到了2012年论文数量已经超越美国;2014年领先优势进一步扩大,论文量达美国的1.4倍。在论文影响力的重要指标——被引频次方面,中国也在2012年超过美国成为论文被引频次最高的国家;2014年两国间的差距进一步加大,中国的论文被引频次是美国的1.6倍。可以看出,近几年来中国在微纳光学领域的研究无论数量还是质量都进步显著。这主要得益于该领域内中国及华人研究人员数量较大,研究水平不断提高。从该领域比较具代表性的国际会议（如PIERS、ICNP、SPP、Meta等）的出席情况也能看出华人科学家的比例在逐年增加,更有多个主题方向是由华人主导的。近年来,受到国家人才政策的吸引,一批在海外从事该领域研究的青年学者回到国内,提高了中国在微纳光学领域的总体实力和国际影响力。

近10年来,中国科学家在微纳光学领域取得了突出成就,一系列有重要影响力的研究成果发表在国际顶级学术刊物上。这里分别就光子晶体、等离激元和超构材料几个主要领域的原创性工作和突出进展作简要介绍。

在光子晶体研究方面,中国科学院物理研究所张道中、李志远研究组早期做了不同维度光子晶体带隙和光子态密度的研究,随后系统地研究了硅基光子晶体集成器件以及光子晶体微腔。复旦大学资剑研究组最早发现了孔雀羽毛的光子晶体结构色,开创了光子晶体仿生结构色研究的先河。首都师范大学张向东研究组也较早开展了光子晶体中光传输奇异性质研究,预言了两维光子晶体Dirac点附件的奇异现象并在实验上获得证实。上海理工大学庄松林研究组构建了具有等效负折射率的光子晶体并观察到了反向多普勒效应。中国科学院半导体研究所郑婉华研究组将光子晶体结构引入半导体激光器外延层,通过电子态与光子态的联合调控,有效地改进了半导体激光器的输出特性。清华大学黄翊东研究组利用光子晶体结构实现多种微纳光子器件。在非线性光子晶体方面,北京大学龚旗煌、胡小永研究组通过有机光子晶体微腔实现了超快低功耗的全光开关;南京大学祝世宁、徐平等则使用非线性光子晶体（光学超晶格）研制出可动态调控的光的量子纠缠源,为研制有源集成光量子芯片奠定了基础。近年来,拓扑光子学和宇称时间对称性成为光子晶体研究的前沿热点。南京大学陈延峰、卢明辉研究组和国外的合作者们在非对称传输的光波导和声子晶体研究中做出一系列创新性成果。

在等离激元研究方面,金属孔阵异常透射现象是等离激元早期研究的热点。在国内,中国科学院物理研究所李志远研究组、南京大学朱永元研究组以及南开大学的刘海涛等都对此物理机制开展了细致的研究,阐述了表面等离激元在异常透射中的作用。北京大学龚旗煌研究组、朱星研究组,及张家森等在等离激元聚焦、单向耦合、动态调控上都做出了出色成果。南京大学祝世宁、李涛研究组发展了面内衍射调控等离激元波束的方法,实现了如艾里波束等系列特殊波束,近期该研究组将等离激元用于量子集成,实现了量子控制非门。中国科学院物理研究所徐红星研究组在纳米线的等离激元传播调控上取得重要进展,演示了纳米光路和逻辑器件。中国科学技术大学董振超研究组近年来在等离激元单分子检测研究中取得重大突破。南京大学朱嘉研究组利用等离激元增强太阳能吸收超黑材料和水蒸发效应。

在光波段超构材料研究方面,南京大学祝世宁研究组早期研究超构单元耦合杂化效应,并与国外同行合作提出立体超材料概念,近年来该组的刘辉等将超构材料变换光学设计思想应用引力模拟,演示了黑洞、爱因斯坦环等天体物理效应。复旦大学周磊研究组利用超构材料实现传播光与表面波的完美转换。东南大学崔铁军研究组在利用超构表面实现数字成像等方面也做出开创性贡献。目前,具有更低损耗的超表面研究吸引了更多的关注。深圳大学袁小聪、电子科技大学罗先刚等在超表面聚焦、成像、多维光场调控方面也做出系统的成果。北京理工大学王涌天及其合作者在超表面全息和多维复用方面做出了出色成果。

其他方面,南京大学肖敏、姜校顺研究组,北京大学龚旗煌、肖云峰研究组在光子微腔研究上取得重要进展,实现光单向传输和高灵敏探测等功能。北京大学朱星、方哲宇研究组在二维电子材料用于纳米光学调控上做出系统成果。在光学材料微纳结构飞秒激光加工方面,吉林大学的孙洪波及中国科学院上海光学精密机械研究所的程亚等都做出重要贡献。在微纳光子学领域做出重要贡献的中国研究人员和团队还有很多,由于篇幅所限不能一一列出。

微纳光学经过近10余年的迅猛发展,研究重点已经逐渐从微纳尺度下光学新现象新效应的探索向功能调控及器件应用过渡。就当前来说,微纳光学的研究更加注重光子作为信息和能源的载体在高速率、高效率、高集成、低能耗的新型信息和能源技术中的开发应用。当然,光子本身所具有的响应速度快、相干性好等优势,在与物质相互作用的过程中进行基础物理效应的检测,以及对一些特殊物理系统的模拟等方面还有待进一步开发。总体的发展前景从基础到应用大致如下。

在微纳光学体系中物理效应的光学模拟方面（包括经典和量子两个层面）,光场满足的麦克斯韦方程在不同的材料结构体系中可以与量子力学方程以及广义相对论方程有可类比之处,根据这一特征,人们越来越关注利用相对简便的光学系统来模拟复杂或难以企及的广域空间的物理效应。凝聚态模拟方面,人们用光学系统模拟了电子布洛赫振荡、狄拉克费米子、甚至超导库伯对和超流等效应,目前人们还在关注对应于光的马约纳拉费米子和外尔态。而利用折射率与引力对光的类比效性,可以研究弯曲时空中光量子态的演化行为,为大尺寸空间的量子光学效应和量子信息技术提供模拟和指导。此外,光子拓扑态和宇称时间对称等前沿问题也有待进一步探索和进行应用开发。

在基于亚波长设计的超构材料功能应用研究方面,超构材料自概念诞生之日起,就因其新颖灵活的设计思想掀起持续了10余年的研究热潮。在揭示、演示及预言了众多神奇效应之后,大的金属电阻损耗和加工难度一直制约了它的实际应用。该领域发展经历了从微波到光波、从体块到超表面、从金属质到全介质的过程,研究人员正在为解决其工作波段、损耗、带宽等问题而不懈地努力。从光学原理设计到器件物理研究,人们正围绕超构材料、超表面的特殊的优点开展新型超分辨成像、大视角全息、平板透镜、多维信息复用等应用研究。

在微纳光子集成和高灵敏探测研究方面,利用多种材料混合集成将成为今后微纳光学发展的趋势。如何将金属等离激元和硅基波导对光的高局域效应和铟磷基有源结构,以及铌酸锂基高的电光和非线性效应等优势集合,实现材料与功能的综合集成将是微纳光子集成领域面临的主要任务。等离激元光场增强效应已经在增强拉曼、增强荧光、太阳能吸收、单分子探测等方面获得巨大成功。进一步的研究将重点针对材料结构体系的稳定性、探测信号的可重复性、设计器件的规模化和拓展性等方面开展。