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李涛:微纳光学世界的探路人

原标题:李涛:微纳光学世界的探路人

光学是物理学中最古老的一个基础学科,又是当前科学研究中最活跃的学科之一。

光学的历史久远,早在春秋战国时《墨经》就已记载了小孔成像的实验:“景,光之人,煦若射,下者之人也高;高者之人也下,足蔽下光,故成景于上,首蔽上光,故成景于下……”经过长时间的发展,现如今,光学仍是当前科学研究中最活跃的前沿阵地,光学技术在现在的信息社会发挥着不可估量的作用。

李涛参加美国CLEO(激光与光电子)会议

在南京大学现代工程与应用科学学院教授李涛的介绍下,记者了解到:在过去的几百年甚至上千年的时间中,人们对光学的理解大都停留在宏观层面,而随着现代技术的发展,特别是21世纪以来微纳加工技术的进步,科学家们开始关注微纳尺度之下光的激发和传播性质。因为在该尺度下,材料结构尺寸已接近甚至小于光的波长,利用这些结构可以实现自然材料所不具有的新颖光学效应和功能,这吸引了众多科学家的研究兴趣。而李涛研究的核心内容也是从这一方向展开的。

从凝聚态物理到微纳光学

李涛与微纳光学研究领域的结缘是一个在不断尝试中发现自我的过程。

李涛大学本科就读于南京大学物理专业,在凝聚态物理方向打下了坚实的基础。在他2000年本科毕业时,纳米材料研究正如火如荼,在对新生事物浓厚兴趣的驱动下,李涛选择了继续在南京大学都有为院士研究组直接攻读纳米磁学方向的博士研究生。当时,李涛的主要研究课题是磁性纳米线的制备和性能研究,其可能的应用前景是将纳米线作为磁存储单元构建高密度的磁存储。读研期间,李涛跟随导师系统地研究了磁性纳米线的制备和性能,并取得一系列成果。然而,在博士课题快完成时,李涛发现用他们的方案来真正做高密度磁存储很难成行。然而,在研究过程中他关注到了纳米尺度下一些新颖的光学现象,比如制备纳米线所用的多孔氧化铝模板的荧光效应,在填充介质后光谱的变化等。这些新的发现让李涛感受到科研探索中的新的兴奋点。

在强烈好奇心的驱使下,李涛在博士论文的收尾阶段就独自开始了纳米光子学方向的探索。经过一段时间调研后,李涛被负折射率材料的研究所吸引。负折射率材料是违反自然界材料的一种新颖的人工结构材料,它的核心原理可以通过构建一种人工磁性的负磁响应来实现。而李涛的博士论文就一直在研究磁性,所以他非常期待在这一领域展开新的探索。在听了加州大学伯克利分校张翔院士的报告后,李涛了解到南京大学祝世宁研究组也正在开展相关的研究。于是,李涛主动联系了祝世宁院士,表达了对这一课题的兴趣和开展研究的决心,并于2005年博士毕业之后,来到祝世宁研究组开展博士后研究工作。

祝世宁院士领导的研究团队一直致力于介电体超晶格材料的研究,并在准相位匹配、光学非线性效应和激光频率转换等方面取得了突出成就。基于相关研究,祝世宁院士一直希望能将其物理思想拓展到超构材料的研究中去。于是,李涛在来到新的研究组之后便开始从事以负折射率材料、着手材料为主的超构材料的研究,并在光学波段的超构材料研究中取得了一系列优秀的科研成果。其中,在超构材料中被广泛采用的渔网结构,就是李涛与国际同行几乎同时期提出的设想,并最后被实验证实。相关成果入选了“2007中国光学重要成果”。

遵从内心 留校开展科学研究

2008年博士后出站后,李涛面临着三个选择:出国从事科研工作,去其他学校应聘或是留校继续科研工作。最终,经过慎重的思考,李涛还是决定留在南京大学继续自己的科研之路。他说,一方面,自己对纳米光学的研究工作刚刚起步,很多设想正有待展开,这些研究需要一个稳定的科研平台来提供支持;另一方面,祝世宁院士的团队具有非常好的科研软环境,祝老师总能在研究思路上给予正确的引导,同时又能给各人提供自由开放的空间。对于李涛来说,这是一个专心科研的最佳环境。而且,当时南京大学在酝酿依托材料科学与工程系建设新兴的工学院,这都非常契合李涛的研究方向和研究思路。于是,他便应聘到了材料科学与工程系,在此进一步开展有关超构材料的研究工作。

在新的岗位上工作时,一次偶然的机会对李涛的研究思想和研究理念上产生了重要影响。当时,闵乃本院士(介电体超晶格实验室创建人)来实验室指导,看到他们所做的等离激元、纳米光子学研究都还停留在空间光的透反射性能的测试上,这不能体现出纳米光子器件小、集成度高的优势。“如何能在纳米尺度、平面维度上去调控光场,对以后的光子集成才更有意义。”闵乃本院士说。在这一建议的触动下,李涛带领学生们通过不懈努力,组建了一套用于观察研究表面等离激元在金属表面传播性质的实验装置,并发展创新了表面波调控方法,在2011年前后取得了一系列重要研究成果。

其中,李涛研究组实现的表面等离激元艾里波束,受到了国内外科研界的广泛关注。根据这项成果,李涛受邀在国际会议上做了大会报告,并在会后得到了Nature Photonics杂志编辑的采访,咨询了该项成果背后相关的设计原理、实现过程以及其中的技术细节。李涛还补充道:“相较于艾里波束的实现,更重要的是我们发明了全新的调控方法,它不仅能够实现表面等离激元艾里波束,还可以用于其他光场的调制,这其中的意义是无可比拟的。”紧随其后,李涛研究组又做出了等离激元聚焦、波分复用、准直波束、空间艾里光束等研究。近年来,他们还以此发展出近场全息技术,得到了领域内的广泛关注。

为了能够在科研方面得到更多的成长,李涛还曾前往新加坡南洋理工大学、俄罗斯莫斯科州立大学、美国加州大学伯克利分校、香港浸会大学、澳大利亚国立大学等学校进行访问交流,每次交流对于李涛来说都是一次宝贵的体验,在增长科研经验的同时也拓宽了他的科研视野。

表面等离激元研究 成果丰硕

近十年来,李涛领导的科研小组一直专注于表面等离激元光学、人工超构材料的研究,取得了一系列优秀的科研成果,多篇论文发表在《自然—通讯》《物理评论快报》《纳米快报》等国际重要刊物上。

表面等离激元(SPP)是一种存在金属与介质界面的电磁模式,具有亚波长传播和局域场增强的特性,因而受到人们的青睐,是微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体,在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛重视。因而,对其基本物理性质的研究具有重要的意义。

基于在该方向的研究积累,李涛先后承担科技部国家重点研发计划项目课题,获得国家自然科学优秀青年基金,以及多项基金委面上项目的支持。通过这些研究,李涛等对表面等离激元这一独特的表面波的传播及衍射性质、与空间光束的转换调控、杂化波导中的模式调控、等离激元量子效应等进行了深入系统的研究和阐述,挖掘了表面等离激元在光子集成、信息复用、量子调控等领域的应用,取得了一系列创新性突破,为今后开发新型的纳米光子学器件提供理论指导和技术基础。

2017年,李涛研究组在等离激元波空间辐射全息成像方面又获得新进展。成功通过传播的表面等离激元与空间的全息目标光场干涉,获得可实现多个成像目标复用的全息图,并可通过不同传播方向的等离激元波激发将其读出重构出来。该方法突破了传统偏振复用全息仅有的两个正交态的限制,获得了四重无串扰的全息图样。虽然这一工作以全息成像作为演示结果,但其更重要的意义在于将表面等离激元面内传播与空间多维光场调控结合了起来,实现了倏逝波的信息与空间光场信息进行有效转换。这一全新的光场调控思路将为微纳尺度下的光子技术开拓了新的方案和研究平台。

“未来,我们还想将这种设计原理做进一步的推广,用介质的波导来做一个更大范围的全息图像,使肉眼能够看到。我们非常期待用它来发展新型的虚拟现实(VR)技术”李涛说。

研究组合影(右一:李涛)

超构表面研究的新突破

自从事负折射材料研究以来,李涛一直关注和坚持超构材料领域的研究。近年来在超构表面这一前沿方向,他们也取得了重要的创新性突破。

超构表面是通过一薄层平板(普通白纸的千分之一厚度)对光场进行任意操控,实现如聚焦透镜、全息片、偏振片等功能的光学设计。在之前的研究中,科学家已经展示了利用平板超构透镜达到媲美传统光学显微镜的成像效果。不过,此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战,如何实现器件的宽带消色差就是其中之一。针对这一问题,李涛研究组联合台湾中央研究院蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,他们提出了集成共振的方案并与几何相位结合,成功设计并演示了当前国际上最宽工作带宽(480纳米)的反射性超构透镜消色差聚焦,达到了国际领先水平,在超构表面器件的实用化上迈出了重要一步。

成果出来之后,哈佛大学物理学家费德里科·卡帕索亲自给李涛发邮件,希望能对其中的实验细节进行交流,还有一些公司也与李涛研究组进行了接洽,希望他们基于自己的研究成果,发展新的光学技术,使其更好地应用于现实生活。现如今,李涛研究团队也正在朝着这一方向努力着。

悉心育人 好成果要靠好团队

“人们在看待科学研究时,主要是通过其在外展示的科研成果。但是,就像企业一样,如果真正要做出具有国际竞争力的好产品,它需要的是整个团队的力量。”李涛说。

多年来,身处祝世宁院士所领导的团队当中,李涛受益匪浅,在他心里,祝世宁院士一直是他从事研究工作的楷模。虽然工作繁忙,但是祝院士总会尽力抽出时间,参加团队组会,悉心指导学生们的科研工作。他经常组织年轻教师“头脑风暴”,围绕国际科学前沿、国家重大需求开展研讨,通过思想碰撞理清科研思路、凝练科学问题、明确研究方向,使得整个团队一直充满活力和创造力!多年来,置身这一融洽的科研氛围中进行科研工作,李涛感觉非常幸福。

现如今,李涛也担任着本科教学和指导研究生的工作,对于高校的科研人才培养他也有属于自己的见解。在本科阶段,许多学校都会给予学生创新人才计划等支持,李涛希望学校所实施的这些计划不要流于形式,而学生也应该摆正心态,重视通过科研训练来促进自己的课程学习。对于研究生来说,李涛会给予学生一定的开放空间,让他们去了解调研,找到自己感兴趣以及合适的研究方向。然后,李涛再对他们进行因材施教,在科研甚至生活方面给予他们认真的指导与帮助。科研之余,李涛会利用有限的时间组织同学们进行登山、打球等活动,在锻炼身体的同时促进了组内交流和文化建设。多年来,在李涛的指导下,他的学生获得了王大珩光学奖、国家奖学金等众多奖项,学生的博士论文入选国际学术出版社Springer的优秀论文、全国光学优秀博士论文提名等,这些都是对他培育学生付出的最大肯定。

展望 光学技术面临变革

目前,李涛还在进行着国家自然科学面上基金项目“基于倏逝波辐射的多维光场调控及应用研究”以及国家重点研发计划(纳米专项)“纳米像元芯片的显微成像原理和实现”的研究工作。李涛认为,经过近二十多年微纳光学的蓬勃发展,涌现出了很多新的物理思想和设计原理,这为相关工程技术的开发奠定了基础。比如:超小型高灵敏光子芯片,高效光能转换器件,超薄的成像和显示器件,甚至新颖的光学隐身器件。未来,他表示在进一步探索新原理的同时会努力将现有的成果推向应用,真正促进当前的光学技术的发展乃至变革。

“我们所研究的新原理将颠覆现有的光学技术,让我们拭目以待!”说到对微纳光学的展望,李涛非常兴奋!

科研无涯,作为微纳光学领域的探路人,李涛还会坚持求索下去!

来源:科学中国人(2017年11期上)返回搜狐,查看更多

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