武光磊

什么是光？幾千年來，人類對光本質(zhì)的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的歲月。從粒子說到波動說、微粒說再到量子說、波粒二象性，盡管時至今日，人們?nèi)匀粵]有完全揭開光的神秘面紗，但在探索大自然這一最偉大的饋贈過程中，人們已經(jīng)收獲了無盡的寶貴知識，同時推動了科技與經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。光的存在激發(fā)了人類最初對未知世界的向往，無論是光的吸收、反射、折射還是衍射、干涉，由光的特性帶來的每一種神奇現(xiàn)象都讓人類產(chǎn)生了無限探索的熱情，支撐人們在黑夜中不斷摸索，直到破開謎題，迎來黎明那一刻。

近一百年來，隨著探測技術(shù)的進(jìn)步及光學(xué)儀器的發(fā)展，人們對光的研究得以更加深入和微觀，并且已經(jīng)不滿足探清光的特性，而是更進(jìn)一步利用光學(xué)效應(yīng)及特殊材料的特質(zhì)去改變光的頻率，以獲得人們需要的“光”。非線性光學(xué)就是這樣一個神奇的領(lǐng)域。

“光與非線性晶體相互作用是實(shí)現(xiàn)光波頻率轉(zhuǎn)換的主要方式之一，我們的研究領(lǐng)域簡單理解就是通過調(diào)制材料的非線性系數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控光的可能?！蹦暇┐髮W(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張勇教授說道。

材料與物理的碰撞

生活中，一些千奇百怪的有趣現(xiàn)象，總會讓人不禁感嘆大自然造物主的神奇。有的物體被光照射后會反射出五顏六色的光芒，有的會出現(xiàn)重影，還有的會改變光前進(jìn)的路線……

“大部分物理現(xiàn)象其實(shí)都跟材料本身的特性相關(guān)，比如是氣體還是液體材料?！睆堄卤硎?，非線性光學(xué)也是一種物質(zhì)與光接觸后產(chǎn)生的特殊光學(xué)現(xiàn)象。

從字面意義也能看出，非線性光學(xué)是相對傳統(tǒng)的線性光學(xué)衍生的概念。線性光學(xué)最大的特點(diǎn)就是不改變光的頻率、不與介質(zhì)發(fā)生能量交換，而非線性光學(xué)則與之相反。在激光問世之前，人們并不知道還有非線性光學(xué)現(xiàn)象的存在，但這并不代表沒有。非線性光學(xué)沒有被觀察到只是因?yàn)榉浅Ｈ?，直到半個多世紀(jì)前激光器的發(fā)明，在強(qiáng)激光的作用下才讓人們真正觀察到了非線性光學(xué)現(xiàn)象。

猶如一個新大陸的發(fā)現(xiàn)，非線性光學(xué)同樣打開了一個新世界的大門——光的頻率被改變意味著，以往超出人類肉眼可見的光，現(xiàn)在也能利用技術(shù)手段被眼睛直接觀察到。

某些綠色激光筆運(yùn)用和頻效應(yīng)，把看不見的紅外光轉(zhuǎn)成了可見的綠光；運(yùn)用雙光子吸收效應(yīng)制作的雙光子熒光顯微鏡，可以對人體癌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、生長與抑制規(guī)律進(jìn)行光譜學(xué)研究；運(yùn)用光學(xué)參量放大效應(yīng)發(fā)展而來的光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)，可以用來研究激光受控核聚變，為人類用上更加環(huán)保清潔的聚變能努力……這些年來，利用非線性光學(xué)效應(yīng)，越來越多的技術(shù)應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，給人類帶來了新的天地。但哪些材料在強(qiáng)激光的照射下會產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)呢？

“具有高非線性光學(xué)系數(shù)的自然材料其實(shí)不多且有較嚴(yán)格的應(yīng)用條件，而通過引入人工微結(jié)構(gòu)可以有效解決這一問題。”張勇介紹，這種能夠提升非線性光學(xué)效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)材料被稱為非線性光子晶體，也叫光學(xué)超晶格。目前發(fā)現(xiàn)的光學(xué)超晶格材料有鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）、磷酸二氫鉀（KDP）、石英等。其中，鈮酸鋰晶體因其優(yōu)異的非線性光學(xué)特性成為制備光學(xué)超晶格最常用的材料之一，同時也成為張勇十幾年來主要的研究方向。

“我從本科到博士再到工作，一直專注材料物理學(xué)。我覺得前沿的材料體系和物理現(xiàn)象的交叉融合，實(shí)際上是最容易出現(xiàn)新型知識點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)的地方?！睆堄抡f道。而從非線性光學(xué)這20年的發(fā)展來看，顯然他“當(dāng)時的選擇并沒有錯”。

南京大學(xué)是國內(nèi)外最早從事光學(xué)超晶格研究的機(jī)構(gòu)之一，在材料制備、樣品表征以及在激光變頻、量子信息中的應(yīng)用等方面也起到了重要的引領(lǐng)作用。從小就對特殊物理現(xiàn)象非常感興趣的張勇，1998年高考后直接選擇了南京大學(xué)材料物理學(xué)專業(yè)就讀，并且從本科到博士一直沒有離開。

讀博期間，他在導(dǎo)師祝世寧教授的指導(dǎo)下開展了多個非線性光學(xué)重要研究課題，相關(guān)博士論文還獲得了2008年全國優(yōu)秀博士論文提名和南京市自然科學(xué)論文一等獎。博士畢業(yè)后，他仍然專注在非線性光學(xué)領(lǐng)域研究。2010年，在美國阿肯色大學(xué)肖敏教授課題組從事博士后研究工作兩年后，張勇又回到了南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院任教，與團(tuán)隊(duì)一起投身于非線性光學(xué)研究前沿。

2010年，張勇獲得了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助，主持承擔(dān)的項(xiàng)目“鉭酸鋰光學(xué)超晶格中一些非線性光學(xué)切倫科夫效應(yīng)研究”即為博士時期研究課題的進(jìn)一步拓展與延續(xù)。

“這個項(xiàng)目最大的特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的物理領(lǐng)域的切倫科夫輻射概念拓展到了非線性光學(xué)，并從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)對非線性切倫科夫輻射的調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)了一般情況下原本不可能實(shí)現(xiàn)的效應(yīng)?！睆堄陆榻B。

該項(xiàng)目主要從理論和實(shí)驗(yàn)上利用光學(xué)超晶格鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體這一體系，研究了倍頻、和頻、三倍頻和差頻過程中的非線性切倫科夫輻射，與光散射過程相關(guān)的非線性切侖科夫輻射，塊體材料和波導(dǎo)材料中的非線性切侖科夫輻射等。通過優(yōu)化超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，張勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提高了非線性切倫科夫輻射效率，并從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)對非線性切倫科夫輻射的調(diào)制作用，打破了相速度限制條件，實(shí)現(xiàn)了在一般鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體材料中原本不可能實(shí)現(xiàn)的效應(yīng)，為以后研究非線性切倫科夫輻射在探測、成像等方面的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

2012年與2013年，張勇也先后因該研究受邀參加光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域頂級會議CLEO會議、OSA年會Fio/LS并作報告，引起了同行廣泛關(guān)注。同時，基于這一課題研究成果，張勇研究團(tuán)隊(duì)也成功發(fā)展起來一套切倫科夫倍頻顯微成像系統(tǒng)，是目前非線性結(jié)構(gòu)無損表征的主要技術(shù)之一。在非線性光學(xué)領(lǐng)域，南京大學(xué)研究者走出了一條自己的追光之路。

光學(xué)超晶格領(lǐng)跑全球

前面說到，激光的發(fā)明，引導(dǎo)了很多新的學(xué)科發(fā)展，其中最重要的學(xué)科之一就是非線性光學(xué)。1960年，紅寶石激光器首先被發(fā)現(xiàn)后，人們立即想到非線性光學(xué)現(xiàn)象可能被觀察到。1961年，密歇根大學(xué)Franken等人用紅寶石激光照射石英晶體，然后用棱鏡光譜儀去分析投射的光，發(fā)現(xiàn)在光譜上除了基頻信號外還有一個很弱的二倍頻的斑點(diǎn)，首次證實(shí)了二倍頻的產(chǎn)生。獲悉Franken等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，1962年，哈佛大學(xué)Bloembergen等人立即對一些基本的非線性光學(xué)問題做出了嚴(yán)格的理論分析，并提出了著名的準(zhǔn)相位匹配（QPM）原理：通過周期排布二階非線性系數(shù)，可提供額外的倒格矢補(bǔ)償參量波之間的波矢失配，使得非線性相互作用中的波矢量守恒。基于非線性光學(xué)領(lǐng)域的特殊貢獻(xiàn)，Bloembergen也于1980年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

“用來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配原理的材料就是非線性光子晶體，在該材料的研究中，南京大學(xué)研究組始終走在國際研究前沿?！睆堄陆榻B。

早在20世紀(jì)70年代末，南京大學(xué)研究組就采用晶體生長條紋技術(shù)生長出具有周期性鐵電疇分布的鈮酸鋰晶體， 研制出一維光學(xué)超晶格（也被稱為一維非線性光子晶體），驗(yàn)證了Bloembergen的準(zhǔn)相位匹配原理，產(chǎn)生了重要的國際影響。20世紀(jì)90年代初，南京大學(xué)又開發(fā)出室溫電場極化技術(shù)，成為國際上最重要的周期極化鈮酸鋰晶體制備技術(shù)，開啟了其在激光變頻、量子光源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在一維光學(xué)超晶格取得成功的基礎(chǔ)上，1998年科學(xué)家又提出了二維非線性光子晶體的概念，南京大學(xué)的研究組采用室溫極化技術(shù)再次研制成功二維非線性光子晶體，并在不同類型的二維非線性光子晶體中首次觀察到了準(zhǔn)相位匹配增強(qiáng)的光的彈性散射、拉曼散射、非線性切倫科夫輻射、非線性泰堡效應(yīng)等一系列光學(xué)新效應(yīng)，在該領(lǐng)域做出了許多奠基性貢獻(xiàn)?；诖?，南京大學(xué)研究組也獲得了2006年國家自然科學(xué)獎一等獎。

“過去幾十年的科學(xué)研究成果已經(jīng)展示了一維和二維非線性光子晶體在非線性和量子光學(xué)領(lǐng)域的巨大作用。大家都很清楚，未來的方向肯定是拓展到三維非線性光子晶體。在此基礎(chǔ)上，研究人員也期待著能研制出三維非線性光子晶體，從而實(shí)現(xiàn)在三維構(gòu)象下對非線性相互作用波的完全空間調(diào)控，可以預(yù)見，新的調(diào)控維度增加必將揭示更多的新奇效應(yīng)?！睆堄陆榻B。

然而，傳統(tǒng)制備技術(shù)，包括晶體生長技術(shù)、室溫電場極化技術(shù)、探針極化技術(shù)、電子束極化技術(shù)等，都難以在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維鐵電疇結(jié)構(gòu)的排列。制備三維非線性光子晶體已經(jīng)成為近20年非線性光學(xué)領(lǐng)域最棘手的難題之一。

2010年重回南京大學(xué)的張勇，在前輩科學(xué)家的指引下，繼續(xù)奮戰(zhàn)在非線性光學(xué)前沿，并向三維非線性光子晶體的制備這一困擾國際科學(xué)界20年的難題發(fā)起了沖鋒。

傳統(tǒng)的技術(shù)手段無法實(shí)現(xiàn)，他們就不斷改革創(chuàng)新，幾年間嘗試了數(shù)個新的方式和手段，反復(fù)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證。對他們來說，面臨的不僅是技術(shù)上的難題，同樣也面臨著國際數(shù)個團(tuán)隊(duì)在三維非線性光子晶體領(lǐng)域制備的競爭壓力——南京大學(xué)非線性光學(xué)研究組半個多世紀(jì)領(lǐng)跑的優(yōu)勢，不能在新一輪競爭中丟失。

2018年2月，春節(jié)臨近，張勇及其合作研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)3年多的研究工作也到了最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)?！澳嵌螘r間印象非常深刻，因?yàn)榇汗?jié)學(xué)生都放假了，但我們必須抓緊推進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，壓力非常大?！睆堄禄貞浀馈榱吮M快取得突破，春節(jié)期間他們的實(shí)驗(yàn)也沒有停下來，他帶著家住南京的兩個學(xué)生就在空蕩蕩的校園實(shí)驗(yàn)室里反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量?！斑@個工作我們花了幾年的時間心血，最后關(guān)頭更不能松懈?！?/p>

冥冥中自有天意，張勇團(tuán)隊(duì)的努力終于迎來了黎明的曙光。就在春節(jié)前兩天，他們的研究終于取得了最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，并成功制備出了三維非線性光子晶體！“這么多年的經(jīng)歷，我最大的感悟還是要堅持。即使面臨再大的困難或壓力，只要你認(rèn)為自己的科研項(xiàng)目方向是正確的，堅持下去一定會取得成功?！睆堄赂袊@道。在這項(xiàng)工作中，他們創(chuàng)新性地提出了一種利用飛秒激光選擇性地擦除晶體內(nèi)部的非線性光學(xué)系數(shù)的新方案，在原理上獨(dú)辟蹊徑，不再拘泥于傳統(tǒng)技術(shù)改變非線性系數(shù)的符號，轉(zhuǎn)而調(diào)制非線性系數(shù)的振幅，成功制備出了三維非線性光子晶體。這一成果作為封面文章發(fā)表在Nature Photonics上面，也入選了2018年中國光學(xué)十大進(jìn)展（基礎(chǔ)研究類），并入圍2018年中國科技十大進(jìn)展的30項(xiàng)候選成果。

三維非線性光子晶體的研制成功為三維空間光場調(diào)控研究提供了一種新材料， 也為三維微納光子器件的發(fā)展提供了新支撐。實(shí)際上，三維非線性光子晶體中調(diào)制的不僅有二階非線性光學(xué)系數(shù)，由于鐵電晶體中壓電系數(shù)、電光系數(shù)、熱電系數(shù)等所有奇數(shù)階物性張量都是隨著電疇調(diào)制的，因而這些系數(shù)也形成了三維空間分布?？梢灶A(yù)見，更多新的光、聲及其耦合效應(yīng)將會從這種新材料中被陸續(xù)揭示出來。在同期Nature Photonics發(fā)表的News & Views中，特拉維夫大學(xué)Ellenbogen等人就對張勇團(tuán)隊(duì)制備出的三維非線性光子晶體在非線性全息成像、高維量子糾纏、太赫茲產(chǎn)生、非線性編碼、全光控制等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2019年，他們又首次將三維非線性光子晶體應(yīng)用于高效非線性光束整形，使產(chǎn)生的二次諧波光束的轉(zhuǎn)換效率相較于傳統(tǒng)的二維非線性光束整形提升了兩個數(shù)量級。該成果為三維非線性光子晶體在光通訊、超分辨成像、高維糾纏源等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications上。

值得一提的是，三維非線性全息成像和光束整形，是三維非線性光子晶體最重要的應(yīng)用之一，要保證質(zhì)量，必須高精度地加工復(fù)雜三維非線性光學(xué)結(jié)構(gòu)，目前國際上已經(jīng)有不少有競爭力的研究組加入到這個領(lǐng)域的研究中，張勇團(tuán)隊(duì)也在積極開發(fā)下一代非線性光子晶體加工技術(shù)。非線性光學(xué)新一輪賽道上，他們?nèi)匀蛔咴趪H前列。

下一個十年，整裝待發(fā)

在非線性光學(xué)半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程中，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)占據(jù)了其中濃墨重彩的一頁。也正是了解到這一背景，1998年考大學(xué)時，從小喜歡研究物理現(xiàn)象的張勇毫不猶豫選擇了南京大學(xué)材料物理學(xué)專業(yè)。在他看來，非線性光學(xué)就是前沿的材料體系與物理現(xiàn)象碰撞交融的火花。

“南京大學(xué)材料物理學(xué)專業(yè)1994年開始招生，我們是第五屆本科生，親身經(jīng)歷了其發(fā)展壯大的歷程?！闭蛉绱?，本科畢業(yè)后，盡管有許多機(jī)會可以去國外攻讀碩士與博士學(xué)位，張勇仍然選擇了留在南京大學(xué)。并且2010年在美國阿肯色大學(xué)體驗(yàn)了兩年不同的研究環(huán)境、進(jìn)一步拓展學(xué)術(shù)視野后，他再一次選擇了回到母校，“這里的平臺以及研究基礎(chǔ)是不可多得的存在”。

2010年前后，正逢南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院剛剛成立，新的學(xué)院、新的平臺，這一切對于張勇而言恰逢其時?！皩W(xué)院建立之初我就參與了工作，今年正好是建院十周年，我們的發(fā)展還是很快的?！睆堄抡f道。

依托新學(xué)院嶄新的平臺以及南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這十年來，張勇也與學(xué)院一起趕上了快速發(fā)展的時機(jī)。面向國家在光信息、精密測量、光子芯片等方面的重大需求，他在南京大學(xué)這一特色研究領(lǐng)域做出了一系列創(chuàng)新工作：除了將鈮酸鋰非線性光子晶體研究從一維和兩維拓展到了三維，還發(fā)展了新型準(zhǔn)相位匹配原理和微結(jié)構(gòu)晶體制備方法，并發(fā)現(xiàn)了若干種新型非線性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用。例如，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種無透鏡非線性成像技術(shù)——非線性Talbot自成像，與線性光學(xué)Talbot效應(yīng)相比，非線性Talbot效應(yīng)反應(yīng)的是非線性晶體中非線性系數(shù)的周期性調(diào)制，同時可以實(shí)現(xiàn)高分辨率疇結(jié)構(gòu)成像，在基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用中具有研究價值。這一工作發(fā)表在Phys.Rev. Lett.上面，引起同行廣泛興趣并受邀在Adv. Opt.Photon.發(fā)表綜述（ESI高被引論文）。

近年來，他還將研究拓展到了非線性光場調(diào)控方面，在非線性光束整形、非線性全息、高階模式激光器等方面取得了一系列重要進(jìn)展。因在光學(xué)領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)，2019年，張勇獲得了江蘇省青年光學(xué)科技獎。這些研究工作也獲得了國家級項(xiàng)目支持，先后主持了包括優(yōu)秀青年基金和重大研究計劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目在內(nèi)的6項(xiàng)國家自然科學(xué)基金，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目3項(xiàng)。

科研之外，十年來，張勇在人才培養(yǎng)方面同樣傾注了大量心血，并培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的碩、博士研究生。“現(xiàn)在的學(xué)生其實(shí)比我們那一代更有想法和個性，所以我在人才培養(yǎng)方面的習(xí)慣也是建立在與學(xué)生相互理解的基礎(chǔ)上充分挖掘他們的特點(diǎn)，選擇最適合他們的方向發(fā)展。我不覺得每一位學(xué)生必須成為科研人員，我只希望通過課題組這段學(xué)習(xí)經(jīng)歷，他們能夠?qū)W會用科研的精神和態(tài)度去解決未來生活與工作中遇到的問題，這才是最重要的?！睆堄抡f道。

無心插柳柳成蔭。也許正是這樣的態(tài)度激發(fā)了學(xué)生們對科研的最大熱情。目前在張勇的指導(dǎo)下，已畢業(yè)的博士生們大部分還在光學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)鉆研，其中兩位在中山大學(xué)和華南師范大學(xué)任職的博士畢業(yè)生已先后在學(xué)術(shù)圈嶄露頭角并被評為副教授，成為非線性光學(xué)領(lǐng)域年輕一代新的接班人。

半個多世紀(jì)以來，國內(nèi)非線性光學(xué)領(lǐng)域正是在這樣一代又一代科研工作者的努力下薪火相傳，源源不斷。進(jìn)入這個領(lǐng)域至今，張勇對科研的熱情從來沒有變過，始終如一?！拔蚁矚g探索未知的東西，將前沿的材料體系和物理現(xiàn)象結(jié)合研究去創(chuàng)造更多的科研火花，這是我從事科研最大的動力?！睆堄抡f。