現在光學前沿方向有哪些？
求大神們說說自己了解的方向，簡單說說就行。。謝謝大家
分三塊嘛
（一）怎麼折騰（調製）光本身
- 超材料
- 空間光調製 - 全息、adaptive optics
- 非線性
（二）折騰完光本身再做點什麼新應用
- 用fluorescence, two/three photon, SHG之類的看看生物樣品
- 超分辨
- 通訊
- 光場記錄和顯示
（三）加工製造的精進
- 更精密的自由曲面、非球面加工
- 更快更強的激光
- 更大更細的光柵
多有疏漏，但大抵如此。
複製自己以前寫的光學文章，本人不側重於光學的技術細節而是側重於光學在生命科學中的前沿應用，開闊大家的視野。
光學的開發和應用幫助現代醫學和生命科學進入了快速發展階段，如微創手術，激光治療，疾病診斷，生物學研究，DNA分析等。
本篇文章將2個應用部分來簡述光學（不包括X-Ray）在生命科學領域的作用：手術和葯代動力學和診斷學。
手術和葯代動力學
光學在手術和葯代動力學中的作用主要表現在兩個方面：激光和體內照明及成像。
1.1 激光作為能量源的應用
激光治療的概念在上世紀60年代被引入眼科手術。當不同種類的激光和其特性被認識之後，激光治療被快速的擴展到其他領域。不同的激光光源（氣體，固體等）可以發出脈衝激光（Pulsed Lasers）和連續激光 （Continuous wave），對人體不同組織產生的作用也不同。這些光源主要有：脈衝紅寶石激光器（Pulsed ruby laser）；連續氬離子激光器（CW argon ion laser）；連續二氧化碳激光器(CW CO2)；釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器。 因為連續二氧化碳激光器和釔鋁石榴石激光器在切割人體組織的時候有凝血作用，在一般手術中應用最為廣泛【1】。
應用在醫療上的激光波長一般大於100 nm。不同波段的激光在人體不同組織中的吸收作用被用來拓展其在醫療的應用，比如當激光波長大於1um時，水是首要的吸收物。激光不僅能在人體組織吸收中產生熱效應，用於手術切割和凝固，而且還能產生機械效應。尤其在人們發現激光的非線性機械效應後，如產生空化泡（Cavitation bubbles）和壓力波（Stress waves），激光就被應用於光致破裂（Photodisruption）技術，比如內障手術和腎結石碎化手術。激光還可以產生光化學效應，引導具有光敏介質的癌症藥物對特定組織區域釋放藥效， 如PDT療法。激光結合葯代動力學在精準醫療領域有非常重要的作用【2】。
基於激光的熱效應，機械效應，光化學效應和電磁場效應，不同激光源在臨床手術中有以下應用（不限）【3】：
激光在一些主要的臨床手術中的應用機制如下：
- 眼科屈光手術-視覺矯正（Laser Refractive Surgery）【4】
- 心血管成形術-血管舒通(Laser Angioplasty)【5】
- 美容外科手術-皮膚修復 (Laser Skin Resurfacing)【6】
- 泌尿外科手術-膽結石碎石術(Holmium Laser Stone Surgery)【7】
- 微創腫瘤切除術-腦瘤切除 (Stereotactic Laser Ablation)【8】
- 光動力療法（PDT）-癌症靶向藥物 (Photodynamic Therapy)【9】
光動力療法原理：特定波長的激光照射處於人體目標區域的光敏劑，使其受輻射激發。而激發態的光敏劑又把能量傳遞給周圍的氧，生成活性很強的單態氧，單態氧和相鄰的生物大分子發生氧化反應，產生細胞毒性作用，進而導致目標細胞受損乃至死亡。
1.2 光作為體內照明和成像工具的應用
自從上世紀90年代CCD（Charge-CoupledDevice）相機被引入微創手術（Minimally Invasive Therapy, MIT）,光學在手術應用中有了質的變化。光在微創和開放手術中的成像作用表現形式主要有內窺鏡，微成像系統和手術全息成像等。柔性內窺鏡 (Flexible Endoscope)，包括胃腸鏡，十二指腸鏡，結腸鏡，血管鏡等。
內窺鏡光路包括照明和成像兩套獨立配合的系統【10】。
剛性內窺鏡 (Rigid Endoscope)，包括關節鏡，腹腔鏡，胸腔鏡，腦室鏡，宮腔鏡，膀胱鏡，耳鼻鏡等。
剛性內窺鏡一般只有幾種固定的光路角度可選，如30度，45度，60度等【11】。
微型體內相機，以微型CMOS和CCD為技術平台的成像設備。比如一種膠囊式內鏡，
PillCam。它可以進入人體的消化系統檢查病變以及監測藥物效果【12】。
手術全息顯微鏡，一種在精密型手術中用於觀察細微組織的3D圖像的成像設備， 比如用於開顱的神經手術中【13】。
醫學診斷應用
光學檢測因無創性和精準性等特點，已經成為醫學診斷領域定性和定量判斷的最重要的技術之一。該領域的光探測技術原理包括吸光度（absorbance），熒光效應(fluorescence)，化學發光(chemiluminescence)，干涉度量(interferometry)，拉曼散射（Raman scattering）和表面等離子共振等 (surface plasmon resonance)。
根據以上原理，基於不同光譜波段的光學診斷和分析儀器如下圖所示。
本章分主要簡述光在醫學診斷和分析領域的應用：血液監測 和腫瘤檢查-光活檢。
血液監測 (Blood Monitoring)
血液中不同的粒子/分子對特定波長光的反射和吸收程度不同。一般來說，監測血液中目標成份的儀器採用的發射光譜集中在紅光和紅外光。
血氧儀（Pulse Oximeter），要測量脈率、血氧飽和度、灌注指數（PI）。其工作原理如下圖。指夾的一端有兩隻二極體，分別釋放波長為660納米的紅光束 和 910或者940納米紅外光束，另一端是光接收器。在血氧測量時，通過檢測還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白對不同波長的光吸收的區別，所測出來的數據差就是測量血氧飽和度最基本的數據。
血氧儀工作原理【1】
無創血糖儀（Non-Invasive Glucose Monitor）。紅外線照射人體時，與血糖無關的人體組織，如皮膚、骨骼、肌肉、水等將吸收大部分紅外線、余少量代表血糖特徵的反射紅外線，為血糖特徵頻譜信號，可用來計算血糖值。但是，血液中葡萄糖信息較微弱，且血液成分複雜而造成強吸收成分干擾。目前基於紅外技術的血糖儀在穩定性和檢測精度上依然有著巨大挑戰，
而一直都沒有達到美國FDA等認證的臨床要求。
英國無創血糖儀Gluco-Wise（研發階段）【2】
激光多普勒血流計(laser Doppler Velocimeter)。根據多普勒效應，當激光照射到血流內的粒子時，激光被運動粒子散射，利用散射光頻率和入射光頻率相比較得到的多普勒頻移正比於流速的原理，來測量血流量。
激光多普勒應用原理【3】
基於POCT（床邊診斷）的需求，更多的攜帶型血液監測儀器正被研發和投入到使用中，比如有利用乳膠微球的反射效應而專門監測血液茶鹼含量的儀器。
腫瘤檢查 –光活檢(Optical Biopsy)
光活檢通過分析光和組織的相互作用，在體或離體地為臨床組織病理學提供一種無損、實時、精確和客觀的與人體組織狀態的有關信息。
相對於CT 等影像技術，光活檢具有以下優勢：非輻射性；對軟組織早期生化和癌病變（尤其是非佔位性病變）更敏感，解析度更高；實時或近實時性；使用便捷，禁忌少；費用相對低。
目前發展的光活檢技術主要包括：光學相干斷層掃描（optical coherence tomography,OCT）、近紅外成像( Near Infrared Spectroscopy, NIRS)、擴散光斷層掃描（diffuse optical tomography,DOT）、光聲斷層掃描（Photoacoustic tomography, PAT)、熒光成像（fluorescence )、拉曼成像（Raman scattering ）等。
光學相干斷層掃描儀（OCT）利用弱相干光干涉儀的基本原理，通過改變掃描頻率或掃描距離，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，可得到生物組織二維或三維結構圖像。目前OCT分為兩大類：時域 TD-OCT和頻域 FD-OCT。時域OCT是調整參照反光鏡深度或角度，把在同一時間從組織中反射回來的光信號與參照反光鏡反射回來的光信號疊加、干涉，然後成像。頻域OCT的特點是參考臂的參照反光鏡固定不動，通過改變光源光波的頻率來實現信號的干涉。其主要應用於眼科，軟組織病理（早期癌病變）及腦部手術介導。
眼科OCT成像示意圖【4】
近紅外成像儀（NIRS）利用探測儀測量目標本身與背景間的紅外線差可以得到不同灰度梯度的圖像。儀器波長範圍一般為0.78—2.0微米，其發射光可穿透身體而不被水和血紅蛋白強烈吸收。NIRS在醫學診斷上的主要應用是根據對微循環中血紅蛋白氧飽和度的敏感度對人體外周組織的成像。尤其，NIRS被廣泛應用在大腦血流成像上(一般會先注射吲哚菁綠ICG)和EEG研究，以及心臟、乳房、前列腺、皮膚等癌症輔助診斷和手術上。兒科心臟手術也開始採用NIRS實時監控靜脈需氧飽和度。另外，NIRS也被應用於血液樣品等實驗室檢驗分析。
紅外成像儀下的非正常組織【5】
熒光成像儀（FS)根據熒光效應而發展的成像技術：原子核外電子受到激發從基態So躍遷到激發態Si後，會通過非輻射躍遷的方式快速降落在最低振動能級，隨後由最低振動能級回到基態，以光子輻射的形式釋放出能量，具有這種性質的出射光稱為熒光。熒光成像的理論基礎是人體組織的熒光物質被激發後所發射的熒光信號的強度在一定的範圍內與熒光素的量成線性關係。其主要應用於腫瘤疾病的檢測和診斷，且因其高解析度和操作便捷性及費用低，已經在軟組織腫瘤診斷中越來越多的應用。另外熒光成像還用於蛋白質、金屬離子的檢測，藥物新劑型研究（下篇文章詳述）。
人體分子的吸收和熒光光譜【6】
熒光成像在腫瘤檢查中的應用【7】
紅外II區間光下的癌細胞（綠色熒光粒子）【8】
擴散光斷層掃描儀（DOT）是一種面向厚組織體的利用紅外組織光譜技術NIRS（光波長600nm-900nm）或熒光效應，通過探測透過生物組織的三種光（彈道光、蛇行光和擴散光)，結合光子輸運模型、圖像重建技術和擴散光測量系統獲得三維組織圖像的技術。其的應用領域只要為乳腺成像-早期癌症篩查，腦成像，軟組織內窺等。
高密度DOT 【9】
拉曼成像儀（RSS）是基於拉曼效應的儀器：激光與化學鍵/晶格相互作用而發生非彈射散射，導致激光能量增加或損失，即為拉曼光譜。因每種分子的拉曼光譜都是唯一的（分子指紋），所以通過拉曼光譜可對生物分子進行定性和定量分析。在醫學上，共焦激光（兩束滿足共振條件的激光和斯托克斯光）顯微鏡應用最為廣泛。
拉曼成像用於組織成像【10】
光聲斷層掃描（PAT）是一種結合了純光成像的高對比度和純超聲成像的高穿透深度特點，以超聲作為媒介，利用光生效應（短脈衝如10nm激光照射到生物組織被快速吸收而膨脹，產生壓力波）的生物光子成像方法。
光聲斷層掃描示意圖【11】
因各成像技術的原理不同，其技術參數和應用的場景也不同，如下圖【12】
相對於近年來最為主流的醫學成像技術CT、MRI、超聲等，光成像技術因解析度高，操作便捷，限制應用條件少，非輻射性，價格低等快速發展並在一些診斷領域成為主要手段。
下一章，體外診斷-生物信息分析。
參考資料：
【1】Pulse Oximeter，www.acuclinic.com.au
【2】Gluco-wise, www.gluco-wise.com
【3】Laser Doppler Velocimeter, www.osapublishing.org
【4】Optical Coherence Tomography/Vision science and advanced retinal imaging labroratory, www.vsri.uc.ucdavis.edu
【5】Thermography /lotus path wellness center, www.lotuspathwellness.com
【6】Optical biopsy for cancer detection,Yang Pu,DOI: 10.1533/9780857097545.3.325
【7】Aus der Forschung:Neue Bildgebungstechnik macht krebszellen wahrend OP sichtbar, www.bio-m.org
【8】《細胞》：2016年MIT最美醫學研究影像， www.weixinnu.com
【9】Bioimaging：watching the brain at work,Robert J cooper, nature photonics
【10】Raman Spectroscopy for medical diagnostics-From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection, Kenny Kong, www.sciencedirect.com
【11】High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain, Mohammadreza Nasiriavanaki, www.pnas.org
【12】Photoacoustic imaging in biomedicine,M.Xu, Review of scientific instruments, 2006
希望清華的博士同學Ph.D(er)注意一下，在未獲得授權的情況下，也未標明轉載引用，就直接把他人論文原封不動挪過來，就是抄襲！不知道貴校老師有沒有跟你說過！（寶寶有點生氣，不太高興）
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說一些自己關注的，1. 非線性光學，涉及如何去增強非線性效應，包括利用plasmon，設計metamaterial等。phase matching和coherence effects也是研究的熱點。2. Photonic crystal，光的色散關係也會出現和電子一樣的能帶結構，可用作隱身材料，甚至由此提出將其作為晶元用於光子計算機。3.Slow and Fast Light，實現對光速的控制，99年在冷原子系統中讓光速減慢了約兩千萬倍，但溫度得降到nanokelvin，如何實現室溫下的控制？ 4. 拓撲材料奇特的光學特性。
光學這門學科是一門古老又新的學科，從古代對於光的爭議一直到現代，只是現在沒有更高級的理論，只好先定義波粒二象性，並沒有統一光理論。光學工程，激光研究，光通信，光子計算機，隨便一條道路，研究好了，都是一場光學進步。
@李達多 的回答很全面、很到位，現代光學的研究是很廣泛的。還有更重要的一些技術也是現在和未來光學與光電子技術很重要的發展方向，即進行多學科交叉式的研究和應用，找到新的入手點。近些年形成了很多重要的與光有關的交叉學科，如信息與光電子學、激光計量、激光生物醫學、激光化學、激光全息術、激光光譜學、非線性光學等等。
1. 生物光子學(biophotonics)
世界衛生組織(WHO)曾在報告《21世紀醫學》中的提到，21世紀的醫學不單單以疾病的治癒為主要目的,應該能達到疾病的發現、提前預測等等。這也就對生物組織結構的觀察、探測有了更高的要求。為了達到更高的靈敏度，人們開始嘗試用光學手段去研究生物組織的結構，比如@李達多在2中提到的一些光學成像手段，以光學成像技術為基礎，將其應用在生物組織探測和生物醫療上。簡單來講這就是生物光子學、而與醫療、醫用結合到一起後就稱為生物醫療光子學。
圖1
從研究範疇來講，包括了光學感測、光學操控、光學成像，通過一系列的手段達到疾病的檢測、治療的目的。要做到對生物組織的成像，較為重要的一點是對光在生物組織的傳播特性有一個直觀、全面透徹的認識和了解，這也是這一方向的基礎研究。談到光在生物組織的傳播特性，首先要了解生物組織的結構層次，如圖2所示。
圖2
光與生物組織的作用十分複雜，包括反射、散射、透射等等，而且多數組織都是分層、渾濁的介質，比如皮膚組織就是一個典型分層渾濁介質、包括角質層、表皮層、真皮層到皮下脂肪。而且每一層對於光的傳播特性改變均不一樣。
現有幾種較為成熟的成像技術主要有：1.普通顯微鏡；2.熒游標記技術；3.共聚焦和雙光子激發技術；4.光學相干層析成像(OCT)技術 5.光聲成像。
利用光學成像的一大優點是可以做到便攜、可移動、持續和實時的監測。傳統的X-ray和核磁共振技術(MRI)都較為笨重，而隨著光電子集成技術的發展，光學成像系統可以做的很小。這裡主要簡單分析一下OCT技術的原理，OCT屬於層析成像，可以實現對生物組織的縱向成像，從1991年開始，該技術便逐步被人們開發，應用在眼科、心血管科、消化道科和皮膚科等等，國際上研究的較為領先的主要是MIT的D. Huang和 J. Fujimoto研究組。
圖3
其原理如圖4所示，主要是通過一束寬頻光源，經過分光束分成兩束，一束為樣品光，一束為參考光，經過樣品反射回的樣品光與參考光滿足干涉條件發生干涉，通過對探測到的干涉光進行分析，便可以得到攜帶組織內部結構的信息。
圖4
由此可見，生物醫療光子學，不僅僅涵蓋光學領域，也包括電子、信息技術、計算機處理、尤其是需要很豐厚的生物知識儲備。目前這一交叉領域處在方興未艾的時期，有很多有價值的東西值得科研工作者去挖掘。
2. 柔性光電子技術(Flexible Photonics)
所謂柔性光電子技術，就是將傳統的半導體光電子器件與柔性的有機襯底結合所產生的一類新的技術領域，有著十分廣泛的應用前景。這一概念的誕生可以追溯到有機柔性電子器件，普林斯頓大學著名的Forrest 教授2004 年在Nature 上發表論文綜述了有機電子學的研究現狀與發展方向，並提出了概念性設計與概念性製造方法，圖5所示的是筆狀柔性可捲曲顯示器。
圖5
隨著信息技術的發展，人們對信息綜合處理的需求越來越高，傳統的無機半導體多為剛性的，使用場合大大受限。從圖6中可以看出，隨著信息技術的發展，人們希望，以人的大腦作為一個信息綜合處理的中心，這是未來科技的發展趨勢，能夠切實的達到人機交互，為了達到這一目的就需要器件具備可摺疊、耐彎曲的性能，並且具備生物兼容性能夠與人體組織緊密的貼合。
圖6
這一概念的提出最重要的也是與健康醫療相結合，實現實時、動態監測人體信息的目的。圖7所示的是皮膚電子系統的概念圖，採用可水解的蛋白作為有機襯底，水解後產生的張力使得器件貼合在皮膚表面，能夠很方便的監測人體的生理指標，器件上集成了LED、天線發射以及運算和放大等單元，能夠將監測好的測量信號整合好發送到醫療中心。
圖7
圖7所示的是皮膚電子系統的概念圖，採用可水解的蛋白作為有機襯底，水解後產生的張力使得器件貼合在皮膚表面，能夠很方便的監測人體的生理指標，器件上集成了LED、天線發射以及運算和放大等單元，能夠將監測好的測量信號整合好發送到醫療中心。
目前柔性光電子技術其餘的研究熱點還有半球形電子眼數碼相機，圖8所示為其結構圖
圖8
人類的眼睛是個不尋常的成像設備。仿生成像系統是在半球形表面使用光電探測器陣列，這類似於人眼中的視網膜，這種思想是以可以承受大水平的壓縮和拉伸應變 (達到 50% 或者更多) 的不尋常設計，在平的二維表面創建光電子系統。這個平面布局可以轉換成半球形曲線形狀，最後把彈性體上的陣列轉印到玻璃透鏡基底上。這種結構在製作過程中，半球表面上成像陣列發生微小的變化，硅像素中的最大應變為 0.01%，這比斷裂應變 (1%) 低很多，金屬弧形交聯導體中的應變為 0.3%，也遠低於其斷裂應變。類似的還有柔性健康監測器，柔性硅基電池等等，柔性硅基電池可以貼合在彎曲表面給器件供電，突破了原有電池不能彎曲的局限。
小結：光子學不僅是一門單一的學科，隨著集成光電子技術的發展，光纖通信、光電探測等等技術應用場合越來越多，之前還了解過微波光子學、自然多為視像技術、固態照明LED等技術，都具有很大的研發空間。本人進入光電領域不足一年，也處在摸索之中，希望日後隨著科研的深入，能為同行們提供更多有趣、有用的光學知識。謝謝！
參考文獻
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[2] 常若菲,馮雪,陳偉球,宋吉舟. 可延展柔性無機電子器件的結構設計力學[J]. 科學通報,2015,22:2079-2090.[3] 馮雪,陸炳衛,吳堅,林媛,宋吉舟,宋國鋒,黃永剛. 可延展柔性無機微納電子器件原理與研究進展[J]. 物理學報,2014,01:9-26.[4] H. Park, H. Cho, J. Kim, J. W. Bang, S. Seo, Y. Rahmawan, D. Y. Lee, K. Y. Suh. Multiscale transfer printing into recessed microwells and on curved surfaces via hierarchical perfluoropolyether stamps. Small 10(1): 52-59, 2014.[5]謝樹森,李暉,牛憨笨,秦玉文,何杰,潘慶. 生物醫學光子學的發展與前瞻[J]. 中國科學(G輯:物理學 力學 天文學),2007,S1:1-12.
[6]呂可誠,張春平,張光寅,董孝義,傅便翔,王玉堂. 生物光子學進展[J]. 光子學報,1997,12:0-0+0-0+0-0+0.
[7]李學通,仝洪月,趙越,杜鳳山. 柔性電子器件的應用、結構、力學及展望[J]. 力學與實踐,2015,03:295-301+325.
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看了一圈沒看到fiber sensor，新一代光纖發展方向，應用超廣泛。非大神，就不班門弄斧了。推薦一個視頻：https://m.youtube.com/watch?v=FmEAes44j5s （What is photonics and how is it used? Professor Tanya Monro explains.）
p.s. 光學前沿方向太多了，真是是一個很dynamic的領域，相見恨晚。Abbe Center的研究大致可為三塊，ultra optics, strong field physics, biophotonics, 覆蓋了大部分研究方向。懶得搬運了，上個鏈接：http://www.acp.uni-jena.de/research.html太赫茲技術
即將去上光所讀研，就我所知，大概知道光學前沿的的有，超短超強激光，在飛秒激光更進一步的阿秒激光也是在研究之中；激光等離子，慣性核聚變；有關於激光冷卻，冷原子物理，搞原子鐘的；以及還有激光空間技術，材料等等由於還沒過去，也只能是泛泛而談
超快
量子光學，高能激光，超解析度檢測，微納光學，帶電粒子光學等，純粹光學設計已經很成熟了
世界第一光學中心應該是英國南安普敦的orc實驗室。有誰不服的
光學原理已經很清楚了，現實應用當中一定要和通訊結合才有希望。王大珩一代宗師，他的貢獻很多在軍工方面，應該是光學人的榜樣。
據說北理工的光學很好，希望保持發揚。
全光通信，應該很有前景吧
全息
Nasa造出了土豆片形狀的望遠鏡，這個算么？
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