——记上海理工大学成像光学研究所教授王海凤
本刊记者  汲晓奇 

　　 看似偶然，三位光学超分辨成像领域的科学家摘取了2014年度诺贝尔化学奖。在这一领域的新原理、新技术还说不上“瓜熟蒂落”之时，诺贝尔奖评奖委员会就迅速做出了抉择，着实出乎一般人的意料。
　　 然而，同行学者都明白，突破光学衍射极限，解决了光学显微成像长达一个半世纪之久的难题，这将为生命科学、纳米科学等领域带来根本性变革，科学意义非同一般。
　　 于是，一个让国人焦虑的问题随之而来——在这块刚刚进入公众视野的科研“新大陆”上，要多久才能听到中国的声音？
　　 事实上，早在多年之前，中国学者王海凤的超分辨成像研究，就曾引起过国内外同行的集体瞩目。

追光溯源，是他永恒的信念

　　 1998年，王海凤从苏州大学物理系取得硕士学位，进入中科院上海光机所，师从干福熹院士，开始了光学超分辨领域的研究。之所以选择这一领域，除了自身兴趣，主要得益于导师的前瞻性判断和引导。经过三年的埋头钻研，2001年，他与导师一起，首次提出了“应用位相型光阑实现长焦深超分辨无衍射激光光束”这一成果，发表在应用光学杂志上，解决了光学系统离焦球面像差的问题，确保物体离开物镜焦点后，系统所成的像不再模糊。这既是科学问题，又是工程问题,为纳米光学成像、光学相干层析显微术和激光加工等领域提供了向纵深方向发展的新方法，目前已经被应用在相关领域。
　　 博士毕业前夕，出于对前沿技术的渴慕，王海凤主动联系了欧洲荷兰代尔夫特科技大学的布莱特教授。布莱特教授是欧洲光学领域的权威专家、欧盟光学协会的创始人之一，也是最早进行光盘系统、光学扫描系统成像的研究者之一。经过严格的面试，他接收王海凤赴荷兰进行博士后研究，参与欧洲第五框架下的大型项目。
　　 在国内外顶尖专家的引领下，王海凤博士的科技视野和专业技术得到了迅速提升。2004年末，他作为高级研究员被引进新加坡数据存储研究所，并担当了项目负责人和研究科学家。在新加坡，他申请了两个基础研究项目，仍然围绕光学纳米成像展开。而就是在这两个基础项目取得重大突破的同时，王海凤的目光聚焦在了通过改变光的偏振态突破衍射极限上。经过研究室里废寝忘食的日日夜夜，2013年，他终于带着自己的研究成果和在国际同行中强大的学术影响力，翩然回国。

寻求突破，没有不可逾越的极限

　　 何谓衍射极限，突破它为什么有着至关重要的意义呢？
　　 几百年前，荷兰科学家列文虎克利用自己搭建的显微镜发现了悬浮在水滴中的细小浮游微生物，从此打开了人类进入微观世界的大门。随着时代演进，依靠不断进步的科学手段，面纱被一层层揭开，现代生物学和材料科学的发展对微观结构的研究提出了越来越高的分辨率需求，我们寄希望于光学显微无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小，可以从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质，也为此做出了种种尝试，却最终发现，在真理与表象之间，依然存在一道无法逾越的“墙”，这就是衍射极限。
　　 从几何光学的角度看，通过合理设计光学成像系统，光学显微镜具备实现任意放大倍率的能力。换言之，如果将光束的传播轨迹看成几何线条的话，利用光学显微镜可以将任意小的待观测对象以无限的倍率放大，直到能够被肉眼直接观测为止。不幸的是，我们身处的世界在本质上是量子世界, 最终一切物质都必须用“波”的概念来描述，对光自然也不例外。
　　 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，得到的不是理想的点，而是一个衍射像，它是一个弥散的斑。如果有两个点靠得很近，由这两个点各自产生的弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一个弥撒斑。分辨率的极限大约为入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380～780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果两个物体的中心间距小于0.4微米，你看到的将是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间内，光学显微镜的分辨极限。
此后，直到上世纪90年代，人们一直认为光学显微镜所能够看清的物体的最小尺寸大约为光波长的一半左右，普通光学显微镜的横向分辨率一般只能达到200nm,纵向分辨率约500nm。这对于研究亚细胞结构和分子结构已无能为力。在这样的认识背景下，即便很多一流的光学科学家也认为，突破光学衍射极限在原理上是一件不可能的事情。虽然电子显微镜和原子力显微镜可以达到亚纳米的分辨率,但是其只能对非活性离体细胞样品进行观测的缺点限制了其在生物领域的广泛应用。如何利用光学方法突破传统光学显微镜的分辨率极限进入纳米观测领域被称之为“超分辨成像技术”，美国光学学会把它列为21世纪光学五大研究计划之首，攻克它成为了光学显微成像技术的一个重要挑战和机遇。
　　 王海凤为我们介绍到“今年的诺贝尔化学奖所说的荧光超分辨率显微技术，实际上是指借助于光与物质相互作用产生的奇特效应来突破光学衍射极限。利用荧光分子作为成像对象的标记物，荧光分子的特性是可以被一束波长较短的光束激发，然后发射出波长较长的荧光。正如我们觉得暗夜中穿着荧光衣的人特别显眼，荧光标记使得我们感兴趣的观测对象在复杂的生物结构中脱颖而出。然而，使用荧光材料产生有效的纳米尺度光源，只适用于生物成像，对于更广泛的光学成像不适应，比如对工业CPU的纳米尺度结构来说，集成电路很难进行荧光处理，像利用荧光材料和生物分子一样的相互作用，在工业上进行实时分析更是做不到的。而我们的目标就是，开发出一套超分辨光学成像技术，适用于纳米集成芯片的光学成像。”

有的放矢，光学纵波“第一人”

　　 目标既已锁定，剩下的就是全情投入战斗了。
　　 在新加坡做研究时，由于在西方的学术影响力，《激光与光电子评论》杂志邀请王海凤写了一篇评论文章，文章中，王海凤博士对衍射现象及其在光学成像和光束传播过程中的作用进行了分析，对当前的超分辨技术、纳米成像技术和无衍射光束技术进行了分析、归纳和总结，指出了目前各种光学纳米成像技术的不足点，为以后光学纳米成像领域的发展提供了借鉴，预测了未来可能的发展方向，题目叫做《与衍射做斗争》。这个题目，基本上就是他多年来科研经历的真实写照。
　　 “研究光必须要研究其本质，光究竟是什么东西，这个东西一直困扰着我们，虽然在各个领域的应用非常多，但是光到底是什么物质，它的偏振态是怎么产生的，如何改变它，如何通过改变光的基本特性来实现更高分辨率的成像？这是我一直思考的问题，包括光的电场和磁场的分布和指向，如何去改变和利用？”
　　 根据麦克斯韦方程的描述，光波的振动方向，即电场和磁场的振动方向都与传播方向垂直,而在研究中，通过反复的计算和试验，王海凤逐渐确信，光束的偏振态可以转换为与它的传播方向一致。这个结论一经发布，马上引起了巨大的震动。
　　 首先，这是与传统思维相悖的，而这个突破来自于对光、光线、光束的理解。人们认为光是沿直线传播的，光的偏振方向即电场振动方向与它的传播方向垂直。这在宏观条件即平面波的条件下是正确的,而对于有限尺寸的光束，它的偏振状态其实是各个方向偏振平面波的组合，通过改变组合的成分，包括振幅和位相，可以实现偏振态的旋转，让其与传播方向保持一致。
　　 其次，具备广泛的社会价值。突破了衍射极限，意味着实现更高分辨的光学成像，这个提高直接影响成像的质量，我们可以把显微镜分辨率提高了，这个分辨率提高，对生物成像和一般的工业成像都有很大影响，可以让我们实现更深层次的光学成像。
　　 此外，王海凤还为我们介绍到“这个工作不仅实现了分辨率的提高，而且实现了光束沿着传播方向的延长，这样，光束就可以像电子束一样利用起来，一般来说，光聚焦之后，在焦点处很快就发散了，发散之后它的分辨率就会降低，这是光学成像尤其是扫描成像之中我们不希望看到的，它严重影响了扫描系统的分辨率，我的方法可以把光束聚焦到最高分辨率，并在一定范围内保持不变。”
　　 对比扫描成像系统中的光学扫描成像系统和电子束扫描成像系统，电子束分辨率都很高，而光束如果能做成像电子束那么细，又能在一定范围内不变，就是很理想的光学超分辨成像系统。我想把远场扫描显微镜的分辨率提高2倍，同时把焦深延长10倍以上，这样不但分辨率提高，而且还提高了光学扫描系统的稳定性，科研价值显而易见。
　　 与此同时，王海凤，成为从实验上产生和测量了光学纵波的“第一人”。在国际上率先提出了纵波激光束的概念，并从理论上提出了用二元位相调制和偏振调制产生超分辨纵波激光束的方法，做出了模拟计算结果，理论工作一经发表在Nature Photonics杂志上，随即被维基百科收录。其中提出了利用光的偏振调制和位相调制来进一步提高共焦扫描成像的聚焦光斑分辨率的方法，实现了半波长的远场聚焦，该方法最高可以实现大约0.36波长的远场聚焦，使得远场分辨率可以达到0.18波长，突破了0.25波长的远场分辨率极限，为波矢量和偏振调控实现远场超分辨聚焦提供了依据，证明了二元光学器件对纵向电磁波的增强效应。
　　 由于麦克斯韦方程对人类认识的影响由来已久，因此纵波激光束的提出和实验上的实现，不仅加深了人们对电磁波的认识，即：“电磁波束的电场振动方向可以与它的传播方向一致”，而且开创了新的研究领域。
　　 纵波激光束的概念被提出后，激起了人们对不同偏振态的光与物质相互作用研究的兴趣,在飞秒激光加工领域，当用电场为切向偏振的飞秒激光在材料上加工光栅时，结果产生的光栅很不均匀，而且加工深度很浅；在同样的条件下，当用电场为法向偏振的飞秒激光加工材料时，结果产生的光栅很均匀，加工的深度也较深，而这主要归功于纵向电场分量的作用，当用切向偏振激光时，电场无纵向偏振分量。只有用法向偏振激光才有较强的纵向电场分量，而纵向电场的振动是垂直于材料表面的，所以它与材料的作用就有着类似挖掘机的效果，加工速度快，被加工表面光滑，这个特性也已经被利用在光子晶体的刻蚀上。
　　 通过进一步研究，人们最近发现，飞秒激光与材料作用时，材料产生的裂纹方向总与激光的偏振方向垂直，这给许多需要避免裂纹的激光加工带来困难，而利用纵波激光可以避免裂缝的产生，提高成品率。同时纵向电磁波也是等离子体波，表面等离子体波存在的重要形式，是纳米光学天线和纳米光子学中能量传输的主要形式；然而，目前的光能转换成可以利用的表面等离子体的效率非常低，这主要是因为法向偏振激光中的纵波分量仍然较低，使得在耦合到表面等离子体的过程中，它的模式与表面等离子体模式匹配率非常低。因此光学纵波的产生对纳米光学有着极其重要的意义，它使得光能量可以被高效地耦合成等离子体能和表面等离子体能，从而大大提高了纳米光子学的能量效率，同时也为基于表面等离子体干涉的纳米光刻技术奠定了能量基础。
　　 另外，作为纵波，它可以不受伴随着横向电磁波的光学衍射极限的限制，直接在纳米范围内激发表面等离子体并实现纳米光学聚焦，为纳米光刻和纳米成像提供新方法。光学纵波还在诸如反斯托克斯拉曼成像、二次谐波的激发、带电粒子加速、荧光成像等领域有着重要应用。特别是在纵向偏振光场用于电子和带电粒子加速方面，最近两年发展非常迅速，因为它允许利用非常安全而且超小型的激光装置把电子加速到千兆电子伏量级以上，是一种高效率的激光电子加速方法。二元光学器件对纵向电磁波的增强效应的发现开辟了对激光偏振调控的新方法；实现了对激光纵向偏振态的调控，这一器件的发现具有重要的科学和工程意义。另外由于所产生的激光束是超分辨光束，为矢量和偏振调控实现超分辨光学聚焦提供了借鉴。
　　 同时，王海凤还提出“纳米光学中，由于纵向电场的介入，在有吸收或金属材料的情况下，不同光学器件之间形成了类似‘串联高频电路’的结构，光的纵向高频电场作为激发源，如果要实现更好的光能传输，就要使这个‘电路’的谐振频率接近激发光源的频率。”这项研究成果体现在热辅助磁存储中的纳米光学加热头的设计中，基本原理已于2011年发表在DSI杂志Storage Unlimited上。
　　 这个方法的提出使得能量耦合到硬盘上纳米范围内的效率提高近一个数量级，为纳米能量传输提供了新思路。将共振原理应用于纳米光学中能量传输系统的设计，使得光能量被最大限度地传输到纳米范围的材料中并被高效率吸收，在热磁存储(Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR)中，使能量耦合到40纳米范围内的效率达到10%，解决了硬盘中，在纳米区域实现高温光加热问题。利用共振原理和纵波激光束的纵向电场实现光能量在纳米范围内的传输方法的提出，为纳米光学系统的设计提供了优化和评价依据，提高了光能量在纳米系统中的传输效率和能量被材料的吸收效率。

搭建团队，思想传承是最好的管理工具

　　 2013年，王海凤作为“东方学者”计划中的一员，告别了新加坡这一花园城市，成为上海理工大学的教授。在此之前，他已经发表学术论文20余篇，合作出版国外专著两部，获国家发明专利1项，国际会议特邀报告8次。促使他下定决心的，除了一颗赤子之心，还有国内日趋扎实的科研氛围、对庄松林院士等前辈的敬佩之情。
　　 入职之后，王海凤开始作为所长，组建成像光学研究所，截止目前，成像光学研究所已有20多个成员。王海凤为研究所规划了的明确的研究方向，正在积极发挥着引领作用。
　　 他说“我的管理原则，就是给大家更多的自由度，不在行政上约束他们，而是让每一个研究人员都有自己的空间。多以科研思想引导，辅以宽松化的管理，才能更好地推动创新。而对于学生，他们有问题，我会给他们提供思路和方法，让他们自己去实践和总结，提升他们的科研能力。”
　　 至于自己的研究方向，他也有清晰的思路，首先就是开展波矢量和偏振控制在远场实现纳米光学聚焦研究:“我想开发一个远场超分辨扫描纳米光学成像系统，实现远场50纳米左右的光学分辨率。在实现远场50纳米光学分辨率方面，我的想法是结合波矢量调控技术和成像系统的信息通道调控技术，把远场扫描成像系统的极限分辨率提高一倍，即达到1/8波长,这个理论模型我已经建好了,目前正在做实验验证。我们知道，一般的共焦扫描光学显微镜的分辨率是1/(4NA)波长，因此在最大数值孔径接近1时，分辨率是0.25波长。通过偏振和位相调控，在焦点处可以实现大约0.4波长的光斑，也就是0.2波长的分辨率，这种方法最高可以获得最高0.18波长的截止分辨率。我想基于对光学系统是信息通道的理解，通过信息通道调控的方法，来继续提高成像系统的分辨率，目标是达到1/16波长即大约25纳米的光学分辨率。”
　　 征程万里云鹏举，敢立潮头唱大风。正是王海凤这样的引领者，从实验室走向科研战场，我们才得以窥见纳米量级的微观世界。新知世界的大门向勤奋、坚韧与智慧打开，迎接他的，将是更广阔的战场与更荣耀的成功。