中国光学工程学会最新发布!2023年度15个重大科学问题、工程技术难题和
来源: 以下文章来源于光学工程 ,作者光学工程   发布时间: 2023-04-04 10:39   878 次浏览   大小:  16px  14px  12px
为进一步加强科技前瞻研判,引领原创性科研攻关,打造学术创新高地,推进科技自立自强,按照《中国科协办公厅关于征集2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题的通知》 (科协办函创字[2023]8号)文件要求,中国光学工程学会面向国内外科技组织和科技工作者,共征集58个全球共同关注的前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题。经过专家委员会函评和终审评议,共评选出15个前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题。

5个前沿科学问题

 

 

 

1如何突破时-空极限实现超快超分辨成像?

How to break through the spatio-temporal limit to achieve ultrafast and super-resolution imaging?

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   2014年诺贝尔奖授予了将光学显微带入纳米尺度的超分辨荧光成像技术,但其依赖于荧光标记,且时间分辨率较低。压缩超快成像技术兼具飞秒时间分辨率和极高数据压缩比,但以牺牲空间分辨率来观测超快动态过程。发展超快超分辨成像技术,在无标记宽场成像下实现时-空分辨率的协同突破,将极大推动人类对各类超快微观现象的认知,助力追光捕快、察微显纳的新成像体系建设。

 

2人们能以多高的自由度塑造光?

How arbitrarily can light be shaped?

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   自从认识光现象起,人们便尝试不断改变光的造型。从早期的透镜聚焦光能,到现代显微技术中的复杂结构光、激光雷达形貌测量中的点阵投影等,还有精细激光加工中超长焦深的贝塞尔光束、具有弯曲空间传播轨迹的艾利光束等。对光的塑造能力越高、对其利用程度也越高。为此,应从原理上探索塑造光的极限,即人们能以多高的自由度塑造光?

 

3光学系统的体积极限是多小?

What is the volume limit of an optical system

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   光学元件的性能在很大程度上受到可用光学材料和结构设计的限制。基于超表面的平面光学器件以及各类新型微纳元件有望将核心光学元件缩小到几百微米级别,相比传统复杂光学系统体积显著减小了六个数量级。但如何确定具有特定功能的光学系统的体积理论极限还有待研究,从而进一步实现微型化、微型化与集成化,将在AR/VR、遥感探测及未来纳米科技等领域产生巨大影响。

 

4光电子芯片的集成度极限是什么?

What is the limit of photonic integration?

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   面向未来十年或更长远时间,光电子芯片集成度的增长会遇到瓶颈,相应的容量要扩展到Pb/s量级会遇到许多根本性的限制。本科学问题涉及芯片容量、尺寸、功耗三个方面的理论和技术的极限,需要在超宽带透明光电材料、高集成度器件中的光场调控、高效率低功耗调谐机理等方面研究变革性的新原理和新技术。

 

5如何使光计算完备?

How to make optical computing complete

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   采用光学方法来实现运算处理和数据传输是后摩尔时代算力、功耗问题极具潜力的解决途径之一。光子具有光速传播、抗电磁干扰等特性,以及具有天然的多维复用和并行计算优势,十分契合人工智能等应用领域大数据处理的需求。但目前光子计算面临着很多挑战,例如光子芯片的集成度仍有待提高;计算精度仍低于电子芯片,器件架构未优化,上述挑战亟需研究。

 

 

 

 

5个工程技术难题

 

 

1如何实现EW超强激光?

How to create EW ultra-intense laser

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   依托我国神光装置,攻克甚多束超短脉冲激光高效优质相干合成、超高信噪比管控、等离子体压缩等核心难题,突破EW超强激光高增益、高品质、高负载三大受限条件,国际上率先实现EW级峰值功率激光输出,率先进入超相对论物理等前沿基础研究领域,辐射带动平均功率万瓦级超短激光技术发展和应用。

 

2如何构建超大型空间光学装置?

How to construct the ultra-large space optical instrument?

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   超大型空间光学装置是当前世界宇航企业重点发展的综合性大系统工程方向。在轨组装和维护则是构建超大型空间光学装置的重要技术途径,即将系统的各个组成模块发射入轨,再利用空间操控工具对各个模块进行在轨组合和装配。该技术的实现将引领弹性可重构光学遥感系统的跨越式发展,并为未来空间飞行器维护与服务奠定技术基础。

 

3如何实现高功能密度感存算一体光电集成芯片?

How to realize that photoelectric integrate chip with high functional density sensing and memory integration

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   能够执行探查、识别、飞行、定向打击等任务的微型机器人对功耗、尺寸、功能要求十分苛刻。现有设备集成化程度低,处理数据量大,成像体制单一,无法实现一体化探查。为解决这些问题,可采用感存算一体化仿生架构,突破光电融合集成、智能感知处理等关键技术,挖掘低频有效信息,降低能耗压力,实现高功能密度、极小型化、极低功耗的一体化光电集成芯片。

 

4如何实现在原子、电子本征尺度上的微观动力学实时、实空间成像?

How to achieve real-time and real-space imaging of microscopic dynamics on the intrinsic scale of atoms and electrons?

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   原子、电子是自然界许多现象的核心,其结构及运动状态决定了所构成物质的宏观特性。原子、电子的运动发生在飞秒至阿秒的超快时间尺度以及皮米的超小空间尺度上,因此,需要同时具备皮米空间分辨率阿秒时间分辨率的阿秒电子成像技术以实现对原子-亚原子微观世界中超快动力学过程的探测与控制,揭示材料中各种功能的微观起源。

 

5如何实现高时空分辨率的全球重力梯度测量?

How to retrieval high time and spatial resolution global gravity gradient