2019年， Advanced Photonics (AP) 在全球光学界的关注下创刊。五年来，AP 汇聚了 来自全球110余个科研机构的200多位海内外学者的高水平研究成果，国际影响力日益提升。为庆祝AP创刊五周年，中国激光杂志社新媒体推出 “校”看AP栏目，聚焦在AP发表过成果的高校和科研机构，见证其在推动国际科研合作、引领光学科学未来方面的影响力。
第一期“校”看AP将为大家介绍 瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 简称 EPFL），共同探索这所世界顶尖理工院校在光学领域的卓越成就。
光学领域的璀璨星空：EPFL光学实验室多点开花
瑞士洛桑联邦理工学院是全球顶尖的理工科研究型大学，在自然科学、工程学、生命科学、物理学以及计算科学等多个学科领域成就卓越。EPFL以其创新精神和科研实力在欧洲及全球理工科教育和研究领域处于领先地位。依山傍水的校园环境与先进科技的完美融合，推动了光学技术的理论与实践创新，使EPFL 成为培育光学领域创新成果的摇篮。
EPFL校园一览
图源：EPFL
正是在这种创新与科技的氛围中，该校的科研团队在光学领域不断取得了突破性成果。值得一提的是，EPFL 的研究团队在空芯光纤中实现信号放大的研究，这一成就被评为年度光学领域最伟大的30项发现之一[1]；此外，他们利用微腔的作用，首次将耗散孤子引入到透射电子显微镜中，使其对电子束流产生明显的调制作用[2]；EPFL 的研究人员还成功用玻璃制造了飞秒激光器，其体积仅有一张信用卡大小，使得激光更易于精准定位[3]；该校还开发了首个芯片集成的掺铒波导激光器，该激光器具有广泛的波长可调性，进一步拓宽了其应用领域[4]。
EPFL拥有众多光学研究机构，其中一些代表性实验室在光学前沿领域展现出强大的科研实力与独特的创新能力。
EPFL量子科学与工程中心（QSE Center）
EPFL量子科学与工程中心 （QSE Center）是该校在量子科学与工程领域内建立和促进跨学科研究、教育以及创新项目的重要枢纽。该中心促使EPFL的研究团队能够协同合作，共同致力于未来量子设备、算法和应用的开发，以实现具有深远社会影响的科研突破。
在具体成就方面，该中心的科学家们开发了一种名为“关键的薛定谔猫编码”的突破性量子计算容错方案 [5]。这种方案显著提升了错误恢复能力，有望根本改善量子计算机的可靠性，成为量子计算领域的一个重要里程碑。同时，他们在原子气体中创建晶体结构的新方法，名为“密度波”，这一发现将加深我们对量子物质行为的理解[6]。此外，该中心还成功克服了量子光机械系统的规模化挑战，实现了首个超导电路光机械石墨烯晶格，进一步推动了量子光机械领域的创新进展。
洛桑超快科学中心（LACUS）
洛桑超快科学中心
图源：LACUS
洛桑超快科学中心（LACUS） 是洛桑联邦理工学院（EPFL）在超快科学与技术领域的杰出研究平台。该中心汇集了EPFL内多个顶尖的科研团队，专注于超快激光、X射线和电子技术的前沿研究。LACUS已成为首个被接纳为 Laserlab Europe 正式成员的瑞士激光中心[7]，Laserlab Europe 是一个由欧洲顶尖激光基础跨学科研究组织构成的联盟。
LACUS 利用从X射线到太赫兹辐射的超快激光和电子源技术，为材料科学、化学和生物学等多个领域开辟了新方法。这些技术不仅支持精确的测量和高次谐波的生成，还应用于新型光谱学。作为瑞士最大的超快科学研究团队之一，EPFL 使LACUS成为全国重要的科研基础设施。
LACUS 还弥补了 SwissFEL 等国家设施的不足，不仅为科研人员提供了更灵活的实验条件，也为年轻学者创造了宝贵的研究与培训机会。通过与工业界的紧密合作，LACUS 积极推动超快技术的研究成果向实际应用和创新转化，为瑞士乃至全球的科学进步提供了强有力的支持。
EPFL物理研究所（IPHYS）
物理研究所（IPHYS） 是EPFL基础科学学院的核心学术部门，承担着与校内外其他学科协作，推进物理学及其相关领域前沿研究的重任。IPHYS拥有多个光学实验室，其中 光子集成电路与量子测量实验室专注于量子技术的跨学科研究，探索并应用量子力学过程，以促进传统技术的创新应用和基础量子科学实验的发展。同时， EPFL 量子纳米光学实验室（LQNO）专注于利用包括光学、红外、微波和电子传输等多种光谱技术，实现对纳米腔体中量子系统的相干控制和探测，重点研究其中的振动、电子及自旋动力学。
IPHYS的研究成果颇为显著，例如，科研团队首次发现了一种新的光子与原子对互作用方法[8]，这一发现对腔量子电动力学领域具有重要意义；他们还首次在光子集成电路上实现了连续净增益行波光参量放大器[9]，该技术有望成为未来长距离全带宽光纤通信的关键技术。今年，IPHYS的研究人员还与德国马克思·普朗克多学科科学研究所合作，成功实现了在透射电子显微镜中自由电子与微型谐振器之间的耦合，通过自由电子检测到了耗散克尔孤子的完整演化过程 [10]。
IPHYS组织机构
图源：IPHYS
6篇最新研究成果登载Advanced Photonics
EPFL与我国多家顶尖高校及研究机构建立了密切的合作关系，也因科研成果的报道与Advanced Photonics“结缘”。该校的Olivier Martin教授担任AP的编委，Sergejs Boroviks担任AP的青年编委。自2019年起，EPFL的科研团队在该AP上以第一作者或合作作者的身份发表了6篇论文，涉及光学人工神经网络、超表面技术、轨道角动量模式测量、衍射层析成像技术改进、光纤激光器技术以及红细胞光学断层扫描等多个前沿科技领域。
超高速、高精度的新型光学人工神经网络
用于实现计算任务的非线性光传播实验原理图
瑞士洛桑联邦理工学院的Demetri Psaltis教授团队采用空间光调制器及固定的编程模式实现光波整形，通过诱导多模光纤中传播光的非线性变换实现计算，并基于代理优化模型显著提高了光学计算的运算性能，实现开发了一种面向高性能光学计算机的新型光学人工神经网络架构，为高传输信息量、超高速和超低功耗的光学计算机研发提供了参考。
论文链接：
Programming nonlinear propagation for efficient optical learning machines
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新型超表面分析模型
高效率、易使用的非局域多极化超构表面设计框架示意图
瑞士洛桑联邦理工学院Olivier J. F. Martin教授团队提出了一种新框架，旨在连接超表面的空间对称性、材料参数张量和散射矩阵，从而简化并加速超表面特性的预测过程。此外，该研究还通过考虑四极子和非局域响应，扩展了现有的分析方法，使得在具有特定对称性的超表面上实现和理解复杂的手征响应成为可能，为理解、设计和优化超表面提供了全新的视角和工具。
论文链接：
Spatial symmetries in nonlocal multipolar metasurfaces | On the Cover
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连接强度与相位——OAM模式实时、高效测量新解
KK装置的概念示意图及实现条件
中山大学余思远、陈钰杰教授团队与瑞士洛桑联邦理学院工Camille-Sophie Brès教授团队合作，首次将Kramers-Kronig (KK)关系引入对轨道角动量 (OAM)模式的测量，在不增加系统复杂度的情况下，实现了从单次曝光的干涉场强度分布中严格恢复出OAM模式的振幅和相位全场信息。中山大学博士研究生林中政与洛桑联邦理工Jianqi Hu（胡剑琦）博士为共同第一作者。
论文链接：
Single-shot Kramers–Kronig complex orbital angular momentum spectrum retrieval | Author Presentation
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基于物理信息的神经网络可有效改进传统衍射层析成像结果
具有U-Net架构的MaxwellNet示意图及其在断层重建中的应用
瑞士洛桑联邦理工学院Demetri Psaltis团队提出基于MaxwellNet解决非齐次和三维情况下前向散射问题的方案。该团队通过测试MaxwellNet在解决二维和三维物体散射问题中的性能，证明了基于物理信息的神经网络可以通过迭代方案有效地解决反演散射问题并改进传统光学衍射层析成像结果。
论文链接：
Physics-informed neural networks for diffraction tomography | On the Cover
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商用器件搭建光纤激光器，输出高能量、高光束质量的百飞秒脉冲
色散管理激光器的结构原理图
瑞士洛桑联邦理工学院的Demetri Psaltis教授研究团队利用多模激光谐振腔中的非线性光束净化原理提出了一种 产生高能量超短脉冲的新方法，所产生的高能脉冲具备单横模光束质量。
论文链接：
Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers
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深度学习重建红细胞光学断层3D结构
光学衍射断层成像(ODT)“漏锥”示意图
瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员提出了一种基于深度神经网络（DNN）的解决方案，利用数字构造的虚拟模型训练DNN，从实验数据中成功 重建了高精度的红细胞三维结构图像。这项研究为提升ODT图像质量、解决生物样本成像问题具有重要意义。
原文链接：
Three-dimensional tomography of red blood cells using deep learning | On the Cover
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从理论突破到应用创新，Advanced Photonics 已成为国际学术界共享智慧的重要平台。洛桑联邦理工学院作为其中的佼佼者，以其深厚的科研实力和全球化的视野，为光学与光子学的发展贡献了重要力量。光学科学的未来，依托于全球科研机构的共同努力，AP将继续扮演连接全球学者的桥梁，见证更多创新成果的诞生与应用！
AdvancedPhotonics简介
Advanced Photonics （AP） 创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子20.6，在全球100种JCR光学期刊中位列第3（Q1区），中国科学院一区。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus （APN） 接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊。
参考资料：
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[1] An EPFL study among the 30 greatest discoveries in optics
[2] 光孤子首次与透射电子显微镜结合
[3] 科学家利用玻璃造出飞秒激光器
[4] 洛桑联邦理工学院开发首个芯片级铒激光器，具有广泛的波长可调性！
[5] Luca Gravina, Fabrizio Minganti, Vincenzo Savona. Critical Schrödinger cat qubit. PRX Quantum 4, 020337. 07 June 2023. DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.020337
[6] Helson, V., Zwettler, T., Mivehvar, F. et al. Density-wave ordering in a unitary Fermi gas with photon-mediated interactions. Nature 618, 716–720 (2023).
[7] LACUS becomes full member of Laserlab Europe
[9] 新型氮化硅光参量放大器：光信号连续波长净增益放大
[10] Yujia Yang et al. ,Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators.Science383,168-173(2024).DOI:10.1126/science.adk2489
编辑 | 徐睿
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