李濤：微納光學(xué)世界的探路人

吳應(yīng)清

光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。

光學(xué)的歷史久遠(yuǎn)，早在春秋戰(zhàn)國時(shí)《墨經(jīng)》就已記載了小孔成像的實(shí)驗(yàn)：“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……”經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，現(xiàn)如今，光學(xué)仍是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的前沿陣地，光學(xué)技術(shù)在現(xiàn)在的信息社會(huì)發(fā)揮著不可估量的作用。

在南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授李濤的介紹下，記者了解到：在過去的幾百年甚至上千年的時(shí)間中，人們對(duì)光學(xué)的理解大都停留在宏觀層面，而隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來微納加工技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開始關(guān)注微納尺度之下光的激發(fā)和傳播性質(zhì)。因?yàn)樵谠摮叨认?，材料結(jié)構(gòu)尺寸已接近甚至小于光的波長，利用這些結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自然材料所不具有的新穎光學(xué)效應(yīng)和功能，這吸引了眾多科學(xué)家的研究興趣。而李濤研究的核心內(nèi)容也是從這一方向展開的。

從凝聚態(tài)物理到微納光學(xué)

李濤與微納光學(xué)研究領(lǐng)域的結(jié)緣是一個(gè)在不斷嘗試中發(fā)現(xiàn)自我的過程。

李濤大學(xué)本科就讀于南京大學(xué)物理專業(yè)，在凝聚態(tài)物理方向打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在他2000年本科畢業(yè)時(shí)，納米材料研究正如火如荼，在對(duì)新生事物濃厚興趣的驅(qū)動(dòng)下，李濤選擇了繼續(xù)在南京大學(xué)都有為院士研究組直接攻讀納米磁學(xué)方向的博士研究生。當(dāng)時(shí)，李濤的主要研究課題是磁性納米線的制備和性能研究，其可能的應(yīng)用前景是將納米線作為磁存儲(chǔ)單元構(gòu)建高密度的磁存儲(chǔ)。讀研期間，李濤跟隨導(dǎo)師系統(tǒng)地研究了磁性納米線的制備和性能，并取得一系列成果。然而，在博士課題快完成時(shí)，李濤發(fā)現(xiàn)用他們的方案來真正做高密度磁存儲(chǔ)很難成行。然而，在研究過程中他關(guān)注到了納米尺度下一些新穎的光學(xué)現(xiàn)象，比如制備納米線所用的多孔氧化鋁模板的熒光效應(yīng)，在填充介質(zhì)后光譜的變化等。這些新的發(fā)現(xiàn)讓李濤感受到科研探索中的新的興奮點(diǎn)。

在強(qiáng)烈好奇心的驅(qū)使下，李濤在博士論文的收尾階段就獨(dú)自開始了納米光子學(xué)方向的探索。經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)研后，李濤被負(fù)折射率材料的研究所吸引。負(fù)折射率材料是違反自然界材料的一種新穎的人工結(jié)構(gòu)材料，它的核心原理可以通過構(gòu)建一種人工磁性的負(fù)磁響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。而李濤的博士論文就一直在研究磁性，所以他非常期待在這一領(lǐng)域展開新的探索。在聽了加州大學(xué)伯克利分校張翔院士的報(bào)告后，李濤了解到南京大學(xué)祝世寧研究組也正在開展相關(guān)的研究。于是，李濤主動(dòng)聯(lián)系了祝世寧院士，表達(dá)了對(duì)這一課題的興趣和開展研究的決心，并于2005年博士畢業(yè)之后，來到祝世寧研究組開展博士后研究工作。

祝世寧院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于介電體超晶格材料的研究，并在準(zhǔn)相位匹配、光學(xué)非線性效應(yīng)和激光頻率轉(zhuǎn)換等方面取得了突出成就。基于相關(guān)研究，祝世寧院士一直希望能將其物理思想拓展到超構(gòu)材料的研究中去。于是，李濤在來到新的研究組之后便開始從事以負(fù)折射率材料、著手材料為主的超構(gòu)材料的研究，并在光學(xué)波段的超構(gòu)材料研究中取得了一系列優(yōu)秀的科研成果。其中，在超構(gòu)材料中被廣泛采用的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就是李濤與國際同行幾乎同時(shí)期提出的設(shè)想，并最后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。相關(guān)成果入選了“2007中國光學(xué)重要成果”。

遵從內(nèi)心 留校開展科學(xué)研究

2008年博士后出站后，李濤面臨著三個(gè)選擇：出國從事科研工作，去其他學(xué)校應(yīng)聘或是留校繼續(xù)科研工作。最終，經(jīng)過慎重的思考，李濤還是決定留在南京大學(xué)繼續(xù)自己的科研之路。他說，一方面，自己對(duì)納米光學(xué)的研究工作剛剛起步，很多設(shè)想正有待展開，這些研究需要一個(gè)穩(wěn)定的科研平臺(tái)來提供支持；另一方面，祝世寧院士的團(tuán)隊(duì)具有非常好的科研軟環(huán)境，祝老師總能在研究思路上給予正確的引導(dǎo)，同時(shí)又能給各人提供自由開放的空間。對(duì)于李濤來說，這是一個(gè)專心科研的最佳環(huán)境。而且，當(dāng)時(shí)南京大學(xué)在醞釀依托材料科學(xué)與工程系建設(shè)新興的工學(xué)院，這都非常契合李濤的研究方向和研究思路。于是，他便應(yīng)聘到了材料科學(xué)與工程系，在此進(jìn)一步開展有關(guān)超構(gòu)材料的研究工作。

在新的崗位上工作時(shí)，一次偶然的機(jī)會(huì)對(duì)李濤的研究思想和研究理念上產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)時(shí)，閔乃本院士（介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建人）來實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)，看到他們所做的等離激元、納米光子學(xué)研究都還停留在空間光的透反射性能的測試上，這不能體現(xiàn)出納米光子器件小、集成度高的優(yōu)勢?！叭绾文茉诩{米尺度、平面維度上去調(diào)控光場，對(duì)以后的光子集成才更有意義。”閔乃本院士說。在這一建議的觸動(dòng)下，李濤帶領(lǐng)學(xué)生們通過不懈努力，組建了一套用于觀察研究表面等離激元在金屬表面?zhèn)鞑バ再|(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置，并發(fā)展創(chuàng)新了表面波調(diào)控方法，在2011年前后取得了一系列重要研究成果。

其中，李濤研究組實(shí)現(xiàn)的表面等離激元艾里波束，受到了國內(nèi)外科研界的廣泛關(guān)注。根據(jù)這項(xiàng)成果，李濤受邀在國際會(huì)議上做了大會(huì)報(bào)告，并在會(huì)后得到了Nature Photonics雜志編輯的采訪，咨詢了該項(xiàng)成果背后相關(guān)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)過程以及其中的技術(shù)細(xì)節(jié)。李濤還補(bǔ)充道：“相較于艾里波束的實(shí)現(xiàn)，更重要的是我們發(fā)明了全新的調(diào)控方法，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)表面等離激元艾里波束，還可以用于其他光場的調(diào)制，這其中的意義是無可比擬的?！本o隨其后，李濤研究組又做出了等離激元聚焦、波分復(fù)用、準(zhǔn)直波束、空間艾里光束等研究。近年來，他們還以此發(fā)展出近場全息技術(shù)，得到了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。

為了能夠在科研方面得到更多的成長，李濤還曾前往新加坡南洋理工大學(xué)、俄羅斯莫斯科州立大學(xué)、美國加州大學(xué)伯克利分校、香港浸會(huì)大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)等學(xué)校進(jìn)行訪問交流，每次交流對(duì)于李濤來說都是一次寶貴的體驗(yàn)，在增長科研經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)也拓寬了他的科研視野。

表面等離激元研究 成果豐碩

近十年來，李濤領(lǐng)導(dǎo)的科研小組一直專注于表面等離激元光學(xué)、人工超構(gòu)材料的研究，取得了一系列優(yōu)秀的科研成果，多篇論文發(fā)表在《自然—通訊》《物理評(píng)論快報(bào)》《納米快報(bào)》等國際重要刊物上。

表面等離激元（SPP）是一種存在金屬與介質(zhì)界面的電磁模式，具有亞波長傳播和局域場增強(qiáng)的特性，因而受到人們的青睞，是微納尺度下進(jìn)行光子操縱和集成的優(yōu)良載體，在高靈敏生物檢測、傳感和新型光源等領(lǐng)域獲得了廣泛重視。因而，對(duì)其基本物理性質(zhì)的研究具有重要的意義。

基于在該方向的研究積累，李濤先后承擔(dān)科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題，獲得國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金，以及多項(xiàng)基金委面上項(xiàng)目的支持。通過這些研究，李濤等對(duì)表面等離激元這一獨(dú)特的表面波的傳播及衍射性質(zhì)、與空間光束的轉(zhuǎn)換調(diào)控、雜化波導(dǎo)中的模式調(diào)控、等離激元量子效應(yīng)等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究和闡述，挖掘了表面等離激元在光子集成、信息復(fù)用、量子調(diào)控等領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了一系列創(chuàng)新性突破，為今后開發(fā)新型的納米光子學(xué)器件提供理論指導(dǎo)和技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年，李濤研究組在等離激元波空間輻射全息成像方面又獲得新進(jìn)展。成功通過傳播的表面等離激元與空間的全息目標(biāo)光場干涉，獲得可實(shí)現(xiàn)多個(gè)成像目標(biāo)復(fù)用的全息圖，并可通過不同傳播方向的等離激元波激發(fā)將其讀出重構(gòu)出來。該方法突破了傳統(tǒng)偏振復(fù)用全息僅有的兩個(gè)正交態(tài)的限制，獲得了四重?zé)o串?dāng)_的全息圖樣。雖然這一工作以全息成像作為演示結(jié)果，但其更重要的意義在于將表面等離激元面內(nèi)傳播與空間多維光場調(diào)控結(jié)合了起來，實(shí)現(xiàn)了倏逝波的信息與空間光場信息進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。這一全新的光場調(diào)控思路將為微納尺度下的光子技術(shù)開拓了新的方案和研究平臺(tái)。

“未來，我們還想將這種設(shè)計(jì)原理做進(jìn)一步的推廣，用介質(zhì)的波導(dǎo)來做一個(gè)更大范圍的全息圖像，使肉眼能夠看到。我們非常期待用它來發(fā)展新型的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)”李濤說。

超構(gòu)表面研究的新突破

自從事負(fù)折射材料研究以來，李濤一直關(guān)注和堅(jiān)持超構(gòu)材料領(lǐng)域的研究。近年來在超構(gòu)表面這一前沿方向，他們也取得了重要的創(chuàng)新性突破。

超構(gòu)表面是通過一薄層平板（普通白紙的千分之一厚度）對(duì)光場進(jìn)行任意操控，實(shí)現(xiàn)如聚焦透鏡、全息片、偏振片等功能的光學(xué)設(shè)計(jì)。在之前的研究中，科學(xué)家已經(jīng)展示了利用平板超構(gòu)透鏡達(dá)到媲美傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的成像效果。不過，此類新原理設(shè)計(jì)真正走向應(yīng)用還面臨幾項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)器件的寬帶消色差就是其中之一。針對(duì)這一問題，李濤研究組聯(lián)合臺(tái)灣中央研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)表面器件上取得重要進(jìn)展，他們提出了集成共振的方案并與幾何相位結(jié)合，成功設(shè)計(jì)并演示了當(dāng)前國際上最寬工作帶寬（480納米）的反射性超構(gòu)透鏡消色差聚焦，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，在超構(gòu)表面器件的實(shí)用化上邁出了重要一步。

成果出來之后，哈佛大學(xué)物理學(xué)家費(fèi)德里科·卡帕索親自給李濤發(fā)郵件，希望能對(duì)其中的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行交流，還有一些公司也與李濤研究組進(jìn)行了接洽，希望他們基于自己的研究成果，發(fā)展新的光學(xué)技術(shù)，使其更好地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活?，F(xiàn)如今，李濤研究團(tuán)隊(duì)也正在朝著這一方向努力著。

悉心育人 好成果要靠好團(tuán)隊(duì)

“人們?cè)诳创茖W(xué)研究時(shí)，主要是通過其在外展示的科研成果。但是，就像企業(yè)一樣，如果真正要做出具有國際競爭力的好產(chǎn)品，它需要的是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的力量。”李濤說。

多年來，身處祝世寧院士所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)當(dāng)中，李濤受益匪淺，在他心里，祝世寧院士一直是他從事研究工作的楷模。雖然工作繁忙，但是祝院士總會(huì)盡力抽出時(shí)間，參加團(tuán)隊(duì)組會(huì)，悉心指導(dǎo)學(xué)生們的科研工作。他經(jīng)常組織年輕教師“頭腦風(fēng)暴”，圍繞國際科學(xué)前沿、國家重大需求開展研討，通過思想碰撞理清科研思路、凝練科學(xué)問題、明確研究方向，使得整個(gè)團(tuán)隊(duì)一直充滿活力和創(chuàng)造力！多年來，置身這一融洽的科研氛圍中進(jìn)行科研工作，李濤感覺非常幸福。

現(xiàn)如今，李濤也擔(dān)任著本科教學(xué)和指導(dǎo)研究生的工作，對(duì)于高校的科研人才培養(yǎng)他也有屬于自己的見解。在本科階段，許多學(xué)校都會(huì)給予學(xué)生創(chuàng)新人才計(jì)劃等支持，李濤希望學(xué)校所實(shí)施的這些計(jì)劃不要流于形式，而學(xué)生也應(yīng)該擺正心態(tài)，重視通過科研訓(xùn)練來促進(jìn)自己的課程學(xué)習(xí)。對(duì)于研究生來說，李濤會(huì)給予學(xué)生一定的開放空間，讓他們?nèi)チ私庹{(diào)研，找到自己感興趣以及合適的研究方向。然后，李濤再對(duì)他們進(jìn)行因材施教，在科研甚至生活方面給予他們認(rèn)真的指導(dǎo)與幫助?？蒲兄?，李濤會(huì)利用有限的時(shí)間組織同學(xué)們進(jìn)行登山、打球等活動(dòng)，在鍛煉身體的同時(shí)促進(jìn)了組內(nèi)交流和文化建設(shè)。多年來，在李濤的指導(dǎo)下，他的學(xué)生獲得了王大珩光學(xué)獎(jiǎng)、國家獎(jiǎng)學(xué)金等眾多獎(jiǎng)項(xiàng)，學(xué)生的博士論文入選國際學(xué)術(shù)出版社Springer的優(yōu)秀論文、全國光學(xué)優(yōu)秀博士論文提名等，這些都是對(duì)他培育學(xué)生付出的最大肯定。

展望 光學(xué)技術(shù)面臨變革

目前，李濤還在進(jìn)行著國家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目“基于倏逝波輻射的多維光場調(diào)控及應(yīng)用研究”以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（納米專項(xiàng)）“納米像元芯片的顯微成像原理和實(shí)現(xiàn)”的研究工作。李濤認(rèn)為，經(jīng)過近二十多年微納光學(xué)的蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出了很多新的物理思想和設(shè)計(jì)原理，這為相關(guān)工程技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。比如：超小型高靈敏光子芯片，高效光能轉(zhuǎn)換器件，超薄的成像和顯示器件，甚至新穎的光學(xué)隱身器件。未來，他表示在進(jìn)一步探索新原理的同時(shí)會(huì)努力將現(xiàn)有的成果推向應(yīng)用，真正促進(jìn)當(dāng)前的光學(xué)技術(shù)的發(fā)展乃至變革。

“我們所研究的新原理將顛覆現(xiàn)有的光學(xué)技術(shù)，讓我們拭目以待！”說到對(duì)微納光學(xué)的展望，李濤非常興奮！

科研無涯，作為微納光學(xué)領(lǐng)域的探路人，李濤還會(huì)堅(jiān)持求索下去！