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在光学领域刮起一场光子“飓风”

来源:  发布时间:2021-10-22

——记上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授詹其文

马梦珂

 

 

20世纪到现在,从经典力学到量子理论,物理学中对于空间和时间的观念已经不止一次引起了革命性的变化。而当时间和空间真的被融合在一起,形成新的光子运动状态时,又会给科学与技术带来什么样的变革?

2020年,来自上海理工大学光电信息与计算机工程学院纳米光子学创新团队的一项研究成果发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上,并成功入选美国光学学会(OSA)评选的2020年度全球30项光学重大进展以及2020年中国光学十大进展。这项研究在光子轨道角动量领域,将超快脉冲光时间领域调控和空间光场调控领域创造性地“合二为一”,首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场,开创了一个全新的光子轨道角动量自由度。

作为该项目负责人,上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授、纳米光子学创新团队首席科学家詹其文致力于光场调控及其与微纳结构相互作用的创新研究,最终在光学领域刮起了一场光子“飓风”,实现了“从01”的突破。

几十年如一日在实验室里与光粒子打交道要如何才能耐得住寂寞?詹其文的回答出乎意料:做自己感兴趣的事情,不寂寞。

 

向上推动创新

在微纳尺度“雕刻时光”

 

近年来,纳米结构、超材料等不断刷新着人们对物质空间结构的认识,“光场”作为描述光在空间方向和分布的描述,也逐渐进入人们视野。针对光场的调控,就好比在一幅画的空间范围内,不同的位置能看到不同的光的强度、不同的光的颜色。詹其文的主要研究领域是光场调控及其与微纳结构相互作用,即从微纳尺度上对光的结构进行时间和空间上的排布。“所以我们有时候开玩笑说,我们做光场调控研究,就是在‘雕刻时光’。”

光场的调控并非想象中那么容易,不同结构对应的光场都不一样,要得到最优化的匹配,就必须实现对光场的自由调控。当自由度足够大,具体应用中要实现超分辨成像等目的,也就有了最优化的解决方案。光场调控可以跟不同领域学科交叉,解决一个又一个具体的科学问题。

詹其文1996年本科毕业于中国科学技术大学物理学专业,其后赴美国留学,2002年获得美国明尼苏达大学电子工程博士学位。同年,他获聘美国代顿大学电子光学系教职,历任助理教授、终身制副教授等职位,于2012年获聘终身制教授,主要研究领域涵盖光场调控及其与微纳结构相互作用、纳米光子学、生物光子学、超分辨成像及纳米结构表征等。在美国任职期间,他还创立了代顿大学纳米电子光学实验室及代顿大学Fraunhofer中心,担任主任一职。

在美国十多年的时间里,詹其文通过研究复杂光场在纳米材料结构表征中的应用及相关仪器的开发发现,纳米材料结构与光场偏振状态具有天然的强烈关联与作用,这一作用可以被用来作为探索新纳米材料的光学无损分析及表征手段。而这些非传统光学偏振态及其聚焦光场在光镊方面的特殊作用,可以实现对金属、低折射率介质(如气泡)、各向异性材料甚至磁性材料等纳米颗粒的稳定操纵。2002年至2003年,他就用简单的光学器件,创造性地提出并实现了一系列矢量光场的反射、转向以及旋转等操作的简易技术方法,并首次利用光束偏振空间对称性发明了高分辨率高精度扫描显微椭偏仪等光学仪器。

2007年,一个针对半导体器件中如何做光场成像检测的问题找上了门。原来,由于该半导体芯片中结构可能存在应力,可能导致芯片生命周期大大缩短,甚至出现严重故障。而在当时,应用中的光学技术无法对可能存在的应力分布进行成像。而詹其文针对复杂光场的研究成果,刚好完美地解决了这一难题。通过内部类似自行车轮子一般的复杂光场结构进行聚焦,就可以以极高的分辨率看到半导体芯片中应力的分布情况。

“误打误撞”下促成了基础科研和应用领域的完美结合,詹其文带领实验室团队继续开展深入研究,成功地将相应的技术应用于半导体器件、光波导、生物样品、微小光学器件以及超薄半导体介质膜的检测,并且实现超衍射极限的光学成像。利用他提出的最优表面等离子体激发下的光学天线,他和团队还开发了新型纳米拉曼谱成像技术,并探索其在下一代集成电路超高分辨率光场成像和纳米材料结构完整性研究中的应用,获得了4项国际专利,由美国的CyberOptics及德国的HSEB GmbH等高科技公司获得授权后进行推广。

“创新的产生通常源于两种驱动力:一个是由应用需求产生的牵引,另一个则是由基础研究突破产生的托举。当双方遇到一起的时候,解决方案就产生了。”詹其文说。在此之后,他又系统地提出了空间偏振模式匹配的理论并将其成功应用于最优化表面等离子体聚焦,在实验上验证了利用径向偏振光束进行表面等离子体会激发产生一种独特的瞬逝Bessel光场。这一概念还被进一步扩展至其他共振结构如光子晶体等,通过激发光束空间偏振态与相应微纳结构的匹配从而得到最优化的局域光场及场增强效应。由于在纳米尺度光学成像以及探测方面有广阔的应用前景,詹其文与得克萨斯大学合作,进一步将空间偏振模式匹配导致的局域场增强效应与新型光电材料以及光子晶体慢光波导相结合,设计并演示了超高灵敏度的射频电磁场的光学感应器。

“大胆创新”不止于此,詹其文复杂光场方面的研究成果涵盖矢量光束的数学及物理描述,实验产生及操纵、传输、聚焦特性及这些特性的实际应用等。他还参与了“光场调控”这一新兴学科领域的开创性工作,并推动其快速发展,应邀为美国光学学会期刊Advances in Optics and Photonics的创刊号撰写了对这一领域的综述文章。而该文章自发表以来,长期居于此期刊的最高下载及最高引用文章之一,并被科学引文索引(SCI)列为光学领域过去10年里最高引用文章之一。

 

发现“光子飓风”

实现“从01”的突破

 

加强基础研究,创新人才教育培养,注重提升原始创新能力,努力实现更多“从01”的突破,是中国实施创新驱动发展战略,完善关键核心技术攻关的新型举国体制,面向世界科技前沿、面向国家重大需求的核心要求和手段。在光子科学领域,许多科学家把毕生精力放在了空间光场或超快脉冲光等光子通信领域的研究,而要把时间和空间结合在一起,真正地“雕刻时光”,却没有人做过。从博士毕业开始,詹其文就埋下了这颗梦想的种子。

此后历经20年,他一直没有忘记这个“初心”。直到回国工作多年后的2020年,这一梦想终于实现。他和团队首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场,开创了一个全新的光子轨道角动量自由度。

这是一个真正的“从01”的突破。一直以来,由于其在微纳粒子操纵、超分辨光学显微、超分辨激光加工、超高通量光互联、高维度量子保密通信与信息处理等方面的重要应用,光子的轨道角动量态近年来吸引了全球大量的研究兴趣,是国际上热门的科研问题。光信息科学也得益于对超快脉冲光等的不断突破而快速发展。

詹其文引用气象学的概念比喻,当龙卷风的气流旋转、从上往下到地面的时候,不断地产生“轴旋”的状态,光子的轨道角动量正类似这一状态。如果说已经发现的光学角动量运动轨迹是“龙卷风”,他和团队的最新发现则是形成类似快速移动的光子“飓风”。

“当时我们就在想,气象学中,除了龙卷风的涡旋外,还有像台风一样的涡旋状态。我们光学研究既然有龙卷风,那么是否有台风这种状态的运动方式?而如果要做,我们就必须把时间‘搅’进来。”基础科研的创新,往往在于突破思维的定式,拆除思维的篱笆。有了大胆的想象,还要有强大的执行力。在梦想的驱动下,詹其文和团队克服了思维的障碍,直面光场空间调控和超快脉冲光两个不同领域在这一研究中难以调和的矛盾。从2018年至2020年,仅仅两年的时间,他们就实现了这一在光学调控领域堪称突破性的重大构想,为利用光识别物质提供了全新手段,也为信息传递提供了更广的通道。

“一开始我们就好奇是否可以让光从超快脉冲平台射向空间光场调控平台,但我们发现这不是简单的1+1,于是就尝试对各实验要素系统集成,把两个不交融的领域合在一个实验台上。”利用20多年积累的科研经验,詹其文带领团队创造性地用“空间频率—频率面到空间—时间面”的傅里叶变换,成功生成了携带横向光子轨道角动量的超短脉冲光学波包,这一新型光波包在光子能量快速向前传输的同时,光子能流围绕一个随波包移动的横向轴旋转,从而形成光子“飓风”。这一发现在光通信、光信息处理、量子光学、粒子操控、新型能源、相对论空间物理等领域具有重要的潜在研究和应用价值。

所用的方法是光学领域人人都懂的原理,形成的装置也容易普及,詹其文和团队却领先全世界首先做了出来,归根结底在于比别人“多想了一步”。项目开始后很快取得突破性进展,甚至在实验方案敲定之后,仅仅用了两个月的时间,就验证出了结论,这让詹其文和团队也吃了一惊。他们反复分析数据,最终确定,超脉冲光学波包这一状态确实产生了,比原本计划需要的时间大大缩短。尽管如此,这一突破性成果的产生却并非偶然,甚至是“十年磨一剑”的成果,梦想的种子经过多年在科研上的创新而结出了最丰硕的果实。

詹其文和团队的这一研究成果得到了世界光子科学界的认可,并发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上,成功入选2020年度全球30项光学重大进展。但他们并未就此停止研究。新的理论出炉,必将在应用领域引发更激烈的竞争,作为“筑巢”者,也必须走在前面,引领这一领域的创新之潮。2020年,研究团队获得了国家自然科学基金委“新型光场调控物理与应用重大研究计划”的重点项目支持,将在这一领域进一步开展系统深入的研究。

在科研中,究竟是“从01”更重要,还是“从1100”更重要?这或许是一个无法比较的问题。但从01,意味着这项研究有一定的随机性,也有无限可能性,是一个自由探索的过程,哪怕无法预料可以解决什么应用问题,但只要突破了,就可能会对某个领域带来革命性的变革;同样,从1100,将不断见证基础理论的创新为人类科技生活带来的巨大推动,这或许就是科研的魅力所在,也是科研工作者全力以赴、追求卓越的动力。

 

注重“理实交融”

带领团队走上国际舞台

 

尽管已经本科毕业20余年,詹其文仍牢牢记得母校中国科学技术大学的校训——“红专并进、理实交融”,既要拥有创新精神与能力,理论和实践相结合,也要思虑如何报效祖国奉献社会,这8个字也成为影响詹其文一生的格言。当时,国内光学尽管快速发展,但仍受到很大的制约,选择专业时,詹其文毫不犹豫选择了这一领域作为自己未来的发展方向。在中国科学技术大学的5年学习生活,也为他后来的科研道路打下了坚实的基础。

20世纪90年代末,国内互联网基础设施刚开始普及,科研领域的信息交流对比美国等发达国家来说仍比较闭塞。詹其文选择到美国明尼苏达大学读博,就是为了到光学学科发展最前沿的地方,跟世界顶尖的科学家一起交流学习。在复杂光场方面的不断创新,让他逐渐在美国光学科学领域站稳脚跟。博士毕业后,他一直与中国科学技术大学等国内高校和科研单位保持着密切合作与交流,并推动纳米光子学国际会议到中国举办,让中外科学家实现“零距离”交流。经过多年培育,纳米光子学国际会议已经形成了500人的参会规模。两年多前,詹其文排除了回国的重重阻碍,选择回到上海理工大学任教,将自己在基础理论上的研究优势,与上海理工大学的工程应用学科优势结合,致力于解决更多领域的关键问题。

回国以来,詹其文大部分的时间都奉献给了科研工作,尽管很忙,但他却甘之如饴——研究工作本身就是他的兴趣所在。在詹其文的带领下,上海理工大学成立了纳米光子学创新团队,并得到了上海市教委的重点支持。作为首席科学家,他希望能够将纳米光子学创新团队真正培育成在国际上有较大影响力的科研团队。

在詹其文的领导下,团队正致力于开展光场时空调控的应用领域的相关研究,比如在如何控制光场“手性”的问题上,一旦取得突破性进展,将可以借助光场“手性”辨别物质的不同特性。在詹其文看来,光场的“手性”理论可以应用在制药上,药物当中许多分子都具有不同的手性,它们分子式一样,但空间排布的结构却完全不同,就好像镜像反射中的左手与右手。“化学药品的分子中,也许某一种手性是有效成分,相反的手性是无效成分甚至是有毒的,我们需要把不同的手性区分开来。借助光场调控,有可能让我们在几十纳米的尺度上,去分辨和筛选分子是左手性还是右手性。”詹其文说。

如今,纳米光子学创新团队的科研人员已达28人,大都是80后甚至是90后。对团队中的年轻人才,詹其文希望能够让他们每个人都逐渐拥有自己擅长的研究领域,形成自己独特的科研“品牌”。作为导师,他致力于对不同的学生因材施教,启发学生了解自己的优点和长处,激发他们的兴趣。在国外的十多年时间里,他已经培养了20多名光子学领域的博士研究生。

对于未来的规划,詹其文说:“我希望通过扎扎实实的努力,在三五年的时间内,让整体团队在国际上能够获得认可,产生更多研究成果,并在更多的领域中得到应用。”对于许多人说的“做科研要耐得住寂寞”的说法,詹其文却有不一样的回答,“不寂寞,我的研究工作就是我自己感兴趣的事情,就这么简单”。

 

专家简介

 

詹其文,上海理工大学教授,纳米光子学创新团队首席科学家。中国科学技术大学物理学学士(1996年),美国明尼苏达大学电子工程博士(2002年)。2002年获聘美国代顿大学电子光学系教职,历任助理教授(2002年)、终身制副教授(2008年)、终身制教授(2012),创立代顿大学纳米电子光学实验室及代顿大学Fraunhofer中心并担任主任。主要研究领域包括光场调控及其与微纳结构相互作用、纳米光子学、生物光子学、超分辨成像及纳米结构表征等。美国光学学会期刊Optica副主编,中国光学工程学会期刊PhotoniX副主编,自然出版集团Scientific Reports编委,自然-施普林格Journal of Nondestructive Evaluation编委,中国光学学会理事。2012年和2013年获选国际光电学会(SPIEFellow和美国光学学会(OSAFellow。在Advances in Optics and PhotonicsNature Photonics等重要国际学术期刊发表论文160余篇,文章引用超过10000次(最高单篇引用>2200次),出版专著1部、专著章节9章,获美国及国际授权专利5项,高分辨椭偏成像、近场拉曼等技术转让美国、德国等企业进行产业化开发。


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2022年3月上

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