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南京大学祝世宁院士:微结构中的科研与人生
2021-01-11 Advanced Photonics 常国庆

  祝世宁,南京大学物理学院和现代工学院教授,中国科学院院士,美国物理学会会士(APS fellow)、美国光学学会会士(OSA fellow)、中国光学学会会士。先后主持或参加过国家攀登计划、国家重点基础研究“973”、高科技“863”、自然科学基金重点、重大项目以及科技部重大仪器专项,国家基金委创新群体等。长期从事微结构功能材料和物理研究,在微结构材料设计、制备、表征、新效应探索和器件研制方面开展了系统工作。曾获国家“863计划”十五周年先进个人(重要贡献)、香港“求是”杰出青年学者等荣誉称号等。与合编辑一起完成的研究成果二次获中国基础研究年度十大资讯,二次被评为中国高校年度科技十大进展;作为主要完成人之一所完成的“介电体超晶格的设计、制备、性能与应用”项目获2006年国家自然科学一等奖。2019年因对“微结构科学的贡献”获江苏省首届基础研究重要贡献奖。

  Q1:在光学材料中引入微结构已经成为提升光学材料性能的重要手段。您是如何开始研究光学微结构的?

  A1:大学我读的是凝聚态物理专业,涉及到很多光学常识,于是对光学材料了解得越来越多,也越来越感兴趣。在南京大学读硕士研究生的时候,当时需要研究一种铁电晶体的非公度相,其中就涉及到利用晶体的旋光效应进行表征。在读博士阶段,我加入了闵乃本老师的团队,正式开启对光学微结构的研究。光学微结构材料细数起来有好多种,包括最早提出的半导体量子阱和超晶格,以及后来发展出的光学超晶格、光子晶体和光学超构材料等。我个人对光学微结构的研究是从光学超晶格入手的,研究时间也最长久,后来对光子晶体和超构材料(metamaterials)也很感兴趣。

  Q2:您早期是如何将光学超晶格与激光技术相结合的?

  A2:大家在研究光学超晶格时,利用光学微结构来增强非线性效应和实现相位匹配,后来自然开始关心固态激光技术和光学超晶格在激光频率转换方面的应用。大家把准晶和准周期的概念引入超晶格以后,利用一块超晶格材料可以实现多个频率变换,一台激光器能同时输出红、绿、蓝三种颜色激光,这样就实现了准白光激光。之后又发现光学超晶格中的光参量过程能用于产生中红外波段的激光,这很有应用价值,因为中红外激光晶体非常稀缺,而中红外激光在医疗、环境监测、甚至国家安全等方面有重要应用。在科技部重大专项的支撑下,大家研发了高功率、可大范围调谐的中红外激光器,利用光学超晶格将广泛使用的1.064μm的激光高效地转换成2~5μm的中红外激光。

  Q3:在研究超晶格时,您制备出了斐波那契(Fibonacci)序列铁电畴超晶格,将大家所熟知的数学上的黄金分割数跟物理上的超晶格激光变频产生联系,结果非常优美,您能详细先容下吗?

  A3:1960年之前,由于缺乏很强的光源,非线性光学主要停留在零星的理论研究。1960年激光出现以后,非线性光学在理论和实验上都飞快发展。1962年N.Bloembergen(1981年诺贝尔物理学奖得主)等人在理论上提出了非线性光学中非常重要的准相位匹配原理:周期性改变光学晶体的非线性系数的符号,能够补偿晶体中因色散导致的相位失配,从而有效增强非线性效应。该原理提出之后,实验验证相当困难,原因在于实现准相位匹配所对应非线性系数的调制周期通常在几个微米量级,当时缺乏合适的技术在非线性晶体中引入这种尺度的周期结构。国际上曾有人使用机械抛光的办法把晶体打磨成几微米厚的薄片,之后再把这样的薄片叠合起来。这种办法实际操作上很难。

  南京大学在国际上较早关注到准相位匹配研究,上世纪70年代闵乃本等就生长出具有微米尺度周期铁电畴的铌酸锂晶体,由于铁电畴极性对应了晶体中非线性系数的正负号,从而周期畴晶体中的非线性系数是周期性调制的。冯端、闵乃本等发现可以利用晶体中的“ 铁电畴”对非线性光波相位进行调控,这一思想对准相位匹配研究乃至后续其他光学微结构研究都产生了重要影响。

  在1978、1979年,经过多次尝试后,南京大学终于研制出特定周期畴铌酸锂晶体,实现了从波长1064nm激光产生出532nm绿光的有效的二倍频,实验结果明确验证了Bloembergen的准相位匹配原理。在1980年上海召开的一次国际激光会议上,冯端报告了这项工作,得到众多与会中外专家的好评,并被推荐到Applied Physics Letters上快速发表。该工作及其他相关工作获得了1982年国家自然科学奖二等奖。闵乃本1982年发表在J. Materials Science上有关周期畴铌酸锂晶体生长的论文于1999年获ISI经典引文奖。

  1982年,以色列科学家Dan Shechtman(2011年诺贝尔化学奖得主)在铝锰合金中发现了准晶,该结果于1984年发表在Physical Review Letters上。也是在1984年,南京大学在国家发改委支撑下开始筹建固体微结构物理国家重点实验室。发表Dan Shechtman的准晶工作的那期Physical Review Letters是在1985年中才寄到实验室的资料室,是否可将准晶的概念引入到人工微结构材料,构建所谓的“一维人工准晶“,在实验室内引起了关注。数学上,三维空间的五次对称在一维空间就对应于著名的斐波那契序列,闵乃本和当时他的在读博士朱永元等设计了满足斐波那契数列的一维准周期光学超晶格。这种斐波那契数列的超晶格由两个基本单元构成(周期结构是一个基本单元),在超晶格中二种基本单元的数量比为黄金分割数:1.618…。比较于周期结构,准周期结构实现准相位匹配选择性更多,一块晶体就可以实现多波长激光二倍频甚至激光三倍频,部分理论工作于1990年发表在Physical Review B上。在南京大学读硕士时,我的研究领域是高温超导,加入闵乃本团队读博士时,闵老师给我的题目就是要在实验上实现斐波那契序列准周期结构光学超晶格,并在验证它的准相位匹配新效应。由于这种准周期结构不能再利用晶体生长办法获得,于是我尝试利用半导体平面工艺,采用光刻掩模加高电压极化的办法,经过多次失败,终于在钽酸锂晶体(铌酸锂晶体的姊妹晶体)中制备出了精确斐波那契序列的准周期结构。

  当时研究条件还很艰苦,尽管国家重点实验室利用世行贷款买了几台大仪器,但是实验室一般实验仪器奇缺,既没有合适的激光器,也没有做极化的高压电源,大家只能自己研制。在克服重重困难之后,最终制备了满足斐波那契数列的准周期超晶格,它能够同时满足对多个波长实现二倍频的准相位匹配条件。利用自行研制的纳秒脉冲光参量振荡器产生波长可调谐的红外激光,大家在实验中观察到了蓝色、绿色、红色以及近红外波段的二倍频输出。这个工作后来发表在1997年的Physical Review Letters上。

  Q4:您课题组后来还有相关的工作发表到Science上,可以详细先容下吗?

  A4:前面的工作是利用一块准周期光学超晶格晶体实现多个波长高效率的倍频激光。实际上大家也在想能否在一块准周期光学超晶格晶体里同时产生二倍频和三倍频,甚至更高阶的非线性过程。一般晶体,如果要直接产生三倍频可以通过三阶非线性过程,但它比二阶非线性过程要弱几个量级,转换效率很低。大家的思路是通过在晶体中引入准周期超晶格结构,使其在满足激光倍频相位匹配同时再级联一个相位匹配的和频过程,二个过程同时发生并相互耦合产生出激光三倍频,这样就可以大大提高激光三倍频的效率,大家最终实验验证了这一设想。

  这个结果首先投到Physical Review Letters,结果被拒稿。但大家对此工作有信心,又将稿件改投到Science,结果很快被接收。在1995年的时候,中国物理学会跟美国物理学会有一个协议,每年轮流就某个物理专题召开一次双边交流会,邀请相关领域的专家参加。1996年选定的第一个交流专题就是准相位匹配非线性光学,会址选在南京大学。该领域的国际著名学者都出席了,包括斯坦福大学的R.Byer和M.Fejer,还有日本东北大学的H.Ito。研讨会期间,他们到大家实验室参观,我向他们演示了二倍频和三倍频同时从一块晶体中高效产生的实验现象,给他们留下深刻的印象。所以大家的稿子投到Science以后,可能审稿人中就有他们,当然这仅仅是猜测。

  Q5:科学中重要问题的解决,常常依赖于多个学科的常识交流和相互渗透,您刚才先容的工作也都是不同学科交叉研究的结果。

  A5:是的。1982年,Shechtman报道了准晶之后,准周期的概念应运而生。当时国际学术界在很多研究领域里寻找准周期材料的应用,比如人们利用能带工程制备了具有准周期结构的半导体超晶格,但并没有太大影响。大家与非线性光学相结合,用准周期结构调控多个参量过程相位匹配,在同一块非线性晶体里实现了多个准相位匹配参量过程并相互耦合,实际上拓展了相位匹配的概念,大大丰富了非线性光学效应的研究,所以这类工作受到极大的关注。后来大家将光学超晶格用到量子光学与量子信息领域,这也是不同学科交叉的结果。

  Q6:通过您上面的先容,感觉晶体生长中工艺上的不完美导致偶然发现了晶体中周期生长条纹,这个意外的结果再通过深入研究从而开辟出了新的研究方向。

  A6:科学上的意外发现很多,包括Shechtman研究铝锰合金时发现准晶。大家研究光学超晶格时,学生经常发现预料之外的现象。比如,一个学生在超晶格晶体输出端没有看到期待中的共轴激光,但却在轴线两侧特殊角度观察到了激光倍频。经过仔细推敲发现这类似于契伦科夫辐射,常见于核物理实验中。大家首次在光学超晶格里观察到了非线性契伦科夫辐射,这个结果后来也发表在Physical Review Letters上,而且还被选为封面。

  另外一个实验中,学生发现超晶格输出端的激光除了中间的圆斑以外,周围出现一圈一圈的光环,他不知道这个环是怎么来的。经过反复研究,大家发现光环来自于晶体中的缺陷导致的光的弹性散射,这些散射效应也会参与非线性光学过程,并在准相位匹配条件下被增强。直接测量晶体内部光的弹性散射极其困难,大家的发现提供了一种新的研究手段,可以通过测量这些光环的角度、直径和强度来表征光的弹性散射在晶体里面的空间分布。后来大家又成功地将其推广到研究光的非弹性散射。

  在微结构材料研究过程中,有很多成果来自于学生在做实验时的意外发现。我跟学生反复强调,不仅要关注预想的结果,也不能放过实验中的任何未知现象。特别是一些新材料和新结构设计,常常伴有新发现,甚至可能产生新的物理概念和理论。正是这些意外发现,让人觉得做实验,做科学研究虽然很辛苦,但却有很多乐趣和期待。

  Q7:现在国内读博士的人越来越多,一些博士生将来毕业之后希翼继续从事科研工作,您对他们有哪些建议?

  A7:第一,一个博士毕业时,要成为自己研究领域的专家;第二,要有开阔的视野,对其它学科领域有所涉猎,为今后的发展奠定基础。大家不希翼学生毕业后还在继续从事自己博士期间的工作,恰恰相反,应该利用学会的常识和得到的训练去开拓新的研究方向。很长一段时间我国人才外流很严重,为了稳定队伍,大家也曾留了几位自己培养的优秀博士。留校后,大家一方面派他们出国学习,优化常识结构,一方面要求他们要开辟新方向。事实证明这是可行的、有效的。留校几年后他们分别开拓出新的研究方向,用一句时髦话说就是避免了科学研究和人才培养中可能的“内卷”效应。科学研究既要有继承,更重要是要有发展,长江前浪推后浪,科学研究也要一代更比一代强。

  Q8:通过您的先容,我了解到中美科技界的交流在80年代后越来越活跃。您还在90年代到美国宾州州立大学访学,您的访学持续了多久?

  A8:大概两年左右。我的导师闵乃本为了培养年青人,要求团队成员都要到国外工作两年。他给大家的任务是开阔眼界、广交朋友、提高英语。他要求访问单位必须是一流高校或研究所,不提倡为了发文章把自己在国内的工作带到国外去做。他还利用自己的影响要求对方要提供高于一般访问学者的待遇,为了是让大家出国后在生活上少点后顾之忧,能安心做常识。这些考虑反映了他的人才培养理念,让我受益匪浅。我现在对学生也是这样,不仅仅关心他们在业务上的进展,更是从个人发展的角度考虑他们的将来,这样才能真正地把人才培养好。

  我90年代去宾州州立大学的材料所(Material Research Lab, MRL)访问,选这个研究所是因为它在铁电材料领域里的研究在美国乃至全世界都是首屈一指的。当时大家在超晶格的研究中主要关心铁电晶体里面的畴结构在光学中的应用。MRL里的很多研究人员因为正在关注一种新发现的高性能铁电晶体,也在研究畴结构对性能影响,称为畴工程。由于MRL的背景,因此他们集中研究高性能的铁电材料的压电性质,关注这些材料在声学方面的应用。在我向他们先容了大家的工作后,他们发现畴工程应该分成二个分支:他们研究的弛豫铁电晶体的高性能来自于一种畴构型,他们称之为“平均畴”,而大家用来调控光的相位匹配的周期、准周期畴,他们称为几何畴。因而他们在后续文章中专门先容了大家的工作,充实了原先畴工程概念的内涵,起到了很好的宣传效果。我体会到,早期咱们中国好多好的工作在国际上影响不大,这与大家交流、宣传不够有关,现在的年轻人做得比大家好。

  Q9:您在哪年结束访问回国?

  A9:1998年。当时的访问是一年一年续签的。第一年结束时,对方建议我再延长一年。那时国内开始启动“攀登计划””863”等科技项目, 非常缺人。我征求闵乃本老师的意见,他建议我还是多访问一段时间,又过了一年,我结束了访问。那个时候,我已经隐约预感到光学超晶格在量子光学、量子信息领域可能大有作为,于是开始着手把大家的研究向量子信息领域拓展。我自己在这方面积累不多,也没做过相关的实验研究,而研究新材料又不能没有实验,所以就选派能力强的研究生到美国相关的实验室去学。虽然大家在量子领域起步迟了一点,但借助于大家的基础与特色,一步步发展,通过不断的迭代开拓,终于将准相位匹配由非线性光学拓展到了量子光学,率先研制出基于光学超晶格的光量子芯片,在国际上产生了较大的影响。

  Q10:目前您主要关注哪些研究领域?

  A10:量子信息和量子技术要实用的话必须要芯片化,所以2010年后大家持续关注光量子芯片的研究。随着5G、6G通讯的发展,大家也在努力将微结构芯片技术应用到微波光子学、激光频率梳、量子模拟等等,争取实现系列技术的集成化。除此之外,大家将超构表面、超构透镜与人工智能相结合,发展新的成像技术。比如,大家研制成功第一个宽带消色差超构透镜、第一个60×60的光场成像超构透镜阵列。在Advanced Photonics上,大家也发表了一个波导阵列的研究结果(Subwavelength self-imaging in cascaded waveguide arrays)。该阵列在性能上具有超透镜的诸多优点,但制造上不存在超透镜制造过程中相关的技术困难。大家把量子光学、非线性光学跟超构透镜结合起来,实现了100路的高维路径纠缠光子源和多光子源,工作发表在Science上。

  最近大家还提出了除了通过光纤与卫星外,还可以构建基于无人机移动平台的第三种量子网络方案, 发表在National Science Review上。这一方案的可行性正是基于大家开发的相关光量子器件,这些光量子器件由于使用了微结构材料,实现了小型化与轻量化。当然无人机网络不仅仅可以用于量子通信,也可以用于经典通信,但基本条件是所搭载光学系统必须具有高性能和轻量化。

  总之,因为光是信息的载体,未来信息技术中对光的操控和利用会越来越重要。通过微结构控制材料的光学性质设计出功能各异的光电器件,从而更为有效地调控光与光子的振幅、相位、偏振、角动量等性质,正成为越来越受关注的研究领域。同时,我也坚信微结构科学不但在信息领域,而且在许多其他领域都有用武之地。

  Q11:您在科研过程中,曾受益于中美交流。现在由于中美关系紧张,感觉国际交流越来越困难。您对这方面有什么看法?

  A11:改革开放到今天,中国与世界各国的交流对大家的科技发展、经济腾飞和人才培养起到了重要的推动作用,当然世界各国也从与大家的交往中获利,对彼此发展都有利。但任何发展都不会是线性的,一帆风顺的,这几年国际形势有了很大变化,这也是可以理解的。为了应对这百年未有之大变局,国家从安全角度出发,特别强调要强化国家战略科技力量,特别强调重视我国产业供应链的自主可控。但我认为改革开放基本国策并未变,国际合作与交流在新形势下还要加强。大家科研工编辑,一方面要能勇挑重担,奋发图强,为国家分忧解难;另一方面要努力做国际交流的推动者和参与者。中国的发展是在经历了各种各样的历史挑战下一步步走过来的,这三十多年的发展,中国科技在国际上的影响力越来越大,大家应该与各国科学家团结一致,努力为解决人类发展所面临的问题和挑战做出自己应有的贡献。

  编辑概述:

  常国庆,中科院物理所特聘研究员,博士生导师。在清华大学电子工程系先后获得学士和硕士学位。2006年在美国密歇根大学电子工程系获得博士学位。2007年在密歇根大学超快光科学中心从事博士后工作。2008-2011年在麻省理工学院电子工程系先从事博士后工作,后任研究员。2012-2017年,获聘Helmholtz研究员,在德国自由电子激光科学中心创建超快激光与相干成像实验室,担任实验室主任 (永久职位)。2017年加入物理所。现担任美国光学学会Optics Express编委、《光电产品与资讯》编委、中国激光杂志社青年编委。主要研究方向包括高功率高能量超快光纤激光技术、超快生医光子学、超快中红外激光技术等。

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