在光學領(lǐng)域刮起一場光子“颶風”
——記上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授詹其文

馬夢珂

詹其文（左二）在SPIE Photonics West會議接受SPIE Fellow證書

從20世紀到現(xiàn)在，從經(jīng)典力學到量子理論，物理學中對于空間和時間的觀念已經(jīng)不止一次引起了革命性的變化。而當時間和空間真的被融合在一起，形成新的光子運動狀態(tài)時，又會給科學與技術(shù)帶來什么樣的變革？

2020年，來自上海理工大學光電信息與計算機工程學院納米光子學創(chuàng)新團隊的一項研究成果發(fā)表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上，并成功入選美國光學學會（OSA）評選的2020年度全球30項光學重大進展以及2020年中國光學十大進展。這項研究在光子軌道角動量領(lǐng)域，將超快脈沖光時間領(lǐng)域調(diào)控和空間光場調(diào)控領(lǐng)域創(chuàng)造性地“合二為一”，首次從理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創(chuàng)了一個全新的光子軌道角動量自由度。

作為該項目負責人，上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授、納米光子學創(chuàng)新團隊首席科學家詹其文致力于光場調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用的創(chuàng)新研究，最終在光學領(lǐng)域刮起了一場光子“颶風”，實現(xiàn)了“從0到1”的突破。

幾十年如一日在實驗室里與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：做自己感興趣的事情，不寂寞。

向上推動創(chuàng)新在微納尺度“雕刻時光”

近年來，納米結(jié)構(gòu)、超材料等不斷刷新著人們對物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的認識，“光場”作為描述光在空間方向和分布的描述，也逐漸進入人們視野。針對光場的調(diào)控，就好比在一幅畫的空間范圍內(nèi)，不同的位置能看到不同的光的強度、不同的光的顏色。詹其文的主要研究領(lǐng)域是光場調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用，即從微納尺度上對光的結(jié)構(gòu)進行時間和空間上的排布?！八晕覀冇袝r候開玩笑說，我們做光場調(diào)控研究，就是在‘雕刻時光’?！?/p>

光場的調(diào)控并非想象中那么容易，不同結(jié)構(gòu)對應的光場都不一樣，要得到最優(yōu)化的匹配，就必須實現(xiàn)對光場的自由調(diào)控。當自由度足夠大，具體應用中要實現(xiàn)超分辨成像等目的，也就有了最優(yōu)化的解決方案。光場調(diào)控可以跟不同領(lǐng)域?qū)W科交叉，解決一個又一個具體的科學問題。

詹其文1996年本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學物理學專業(yè)，其后赴美國留學，2002年獲得美國明尼蘇達大學電子工程博士學位。同年，他獲聘美國代頓大學電子光學系教職，歷任助理教授、終身制副教授等職位，于2012年獲聘終身制教授，主要研究領(lǐng)域涵蓋光場調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用、納米光子學、生物光子學、超分辨成像及納米結(jié)構(gòu)表征等。在美國任職期間，他還創(chuàng)立了代頓大學納米電子光學實驗室及代頓大學Fraunhofer中心，擔任主任一職。

在美國十多年的時間里，詹其文通過研究復雜光場在納米材料結(jié)構(gòu)表征中的應用及相關(guān)儀器的開發(fā)發(fā)現(xiàn)，納米材料結(jié)構(gòu)與光場偏振狀態(tài)具有天然的強烈關(guān)聯(lián)與作用，這一作用可以被用來作為探索新納米材料的光學無損分析及表征手段。而這些非傳統(tǒng)光學偏振態(tài)及其聚焦光場在光鑷方面的特殊作用，可以實現(xiàn)對金屬、低折射率介質(zhì)（如氣泡）、各向異性材料甚至磁性材料等納米顆粒的穩(wěn)定操縱。2002年至2003年，他就用簡單的光學器件，創(chuàng)造性地提出并實現(xiàn)了一系列矢量光場的反射、轉(zhuǎn)向以及旋轉(zhuǎn)等操作的簡易技術(shù)方法，并首次利用光束偏振空間對稱性發(fā)明了高分辨率高精度掃描顯微橢偏儀等光學儀器。

2007年，一個針對半導體器件中如何做光場成像檢測的問題找上了門。原來，由于該半導體芯片中結(jié)構(gòu)可能存在應力，可能導致芯片生命周期大大縮短，甚至出現(xiàn)嚴重故障。而在當時，應用中的光學技術(shù)無法對可能存在的應力分布進行成像。而詹其文針對復雜光場的研究成果，剛好完美地解決了這一難題。通過內(nèi)部類似自行車輪子一般的復雜光場結(jié)構(gòu)進行聚焦，就可以以極高的分辨率看到半導體芯片中應力的分布情況。

“誤打誤撞”下促成了基礎(chǔ)科研和應用領(lǐng)域的完美結(jié)合，詹其文帶領(lǐng)實驗室團隊繼續(xù)開展深入研究，成功地將相應的技術(shù)應用于半導體器件、光波導、生物樣品、微小光學器件以及超薄半導體介質(zhì)膜的檢測，并且實現(xiàn)超衍射極限的光學成像。利用他提出的最優(yōu)表面等離子體激發(fā)下的光學天線，他和團隊還開發(fā)了新型納米拉曼譜成像技術(shù)，并探索其在下一代集成電路超高分辨率光場成像和納米材料結(jié)構(gòu)完整性研究中的應用，獲得了4項國際專利，由美國的CyberOptics及德國的HSEB GmbH等高科技公司獲得授權(quán)后進行推廣。

“創(chuàng)新的產(chǎn)生通常源于兩種驅(qū)動力：一個是由應用需求產(chǎn)生的牽引，另一個則是由基礎(chǔ)研究突破產(chǎn)生的托舉。當雙方遇到一起的時候，解決方案就產(chǎn)生了?！闭财湮恼f。在此之后，他又系統(tǒng)地提出了空間偏振模式匹配的理論并將其成功應用于最優(yōu)化表面等離子體聚焦，在實驗上驗證了利用徑向偏振光束進行表面等離子體會激發(fā)產(chǎn)生一種獨特的瞬逝Bessel光場。這一概念還被進一步擴展至其他共振結(jié)構(gòu)如光子晶體等，通過激發(fā)光束空間偏振態(tài)與相應微納結(jié)構(gòu)的匹配從而得到最優(yōu)化的局域光場及場增強效應。由于在納米尺度光學成像以及探測方面有廣闊的應用前景，詹其文與得克薩斯大學合作，進一步將空間偏振模式匹配導致的局域場增強效應與新型光電材料以及光子晶體慢光波導相結(jié)合，設(shè)計并演示了超高靈敏度的射頻電磁場的光學感應器。

“大膽創(chuàng)新”不止于此，詹其文復雜光場方面的研究成果涵蓋矢量光束的數(shù)學及物理描述，實驗產(chǎn)生及操縱、傳輸、聚焦特性及這些特性的實際應用等。他還參與了“光場調(diào)控”這一新興學科領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，并推動其快速發(fā)展，應邀為美國光學學會期刊Advances in Optics and Photonics的創(chuàng)刊號撰寫了對這一領(lǐng)域的綜述文章。而該文章自發(fā)表以來，長期居于此期刊的最高下載及最高引用文章之一，并被科學引文索引（SCI）列為光學領(lǐng)域過去10年里最高引用文章之一。

作為特邀報告人，與來自中、美、加、日、德、南非等國家的特邀專家在Structured Light國際特別研討會的合影。

發(fā)現(xiàn)“光子颶風”實現(xiàn)“從0到1”的突破

加強基礎(chǔ)研究，創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)，注重提升原始創(chuàng)新能力，努力實現(xiàn)更多“從0到1”的突破，是中國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，完善關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)的新型舉國體制，面向世界科技前沿、面向國家重大需求的核心要求和手段。在光子科學領(lǐng)域，許多科學家把畢生精力放在了空間光場或超快脈沖光等光子通信領(lǐng)域的研究，而要把時間和空間結(jié)合在一起，真正地“雕刻時光”，卻沒有人做過。從博士畢業(yè)開始，詹其文就埋下了這顆夢想的種子。

此后歷經(jīng)20年，他一直沒有忘記這個“初心”。直到回國工作多年后的2020年，這一夢想終于實現(xiàn)。他和團隊首次從理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創(chuàng)了一個全新的光子軌道角動量自由度。

這是一個真正的“從0到1”的突破。一直以來，由于其在微納粒子操縱、超分辨光學顯微、超分辨激光加工、超高通量光互聯(lián)、高維度量子保密通信與信息處理等方面的重要應用，光子的軌道角動量態(tài)近年來吸引了全球大量的研究興趣，是國際上熱門的科研問題。光信息科學也得益于對超快脈沖光等的不斷突破而快速發(fā)展。

詹其文引用氣象學的概念比喻，當龍卷風的氣流旋轉(zhuǎn)、從上往下到地面的時候，不斷地產(chǎn)生“軸旋”的狀態(tài)，光子的軌道角動量正類似這一狀態(tài)。如果說已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的光學角動量運動軌跡是“龍卷風”，他和團隊的最新發(fā)現(xiàn)則是形成類似快速移動的光子“颶風”。

“當時我們就在想，氣象學中，除了龍卷風的渦旋外，還有像臺風一樣的渦旋狀態(tài)。我們光學研究既然有龍卷風，那么是否有臺風這種狀態(tài)的運動方式？而如果要做，我們就必須把時間‘攪’進來。”基礎(chǔ)科研的創(chuàng)新，往往在于突破思維的定式，拆除思維的籬笆。有了大膽的想象，還要有強大的執(zhí)行力。在夢想的驅(qū)動下，詹其文和團隊克服了思維的障礙，直面光場空間調(diào)控和超快脈沖光兩個不同領(lǐng)域在這一研究中難以調(diào)和的矛盾。從2018年至2020年，僅僅兩年的時間，他們就實現(xiàn)了這一在光學調(diào)控領(lǐng)域堪稱突破性的重大構(gòu)想，為利用光識別物質(zhì)提供了全新手段，也為信息傳遞提供了更廣的通道。

“一開始我們就好奇是否可以讓光從超快脈沖平臺射向空間光場調(diào)控平臺，但我們發(fā)現(xiàn)這不是簡單的1+1，于是就嘗試對各實驗要素系統(tǒng)集成，把兩個不交融的領(lǐng)域合在一個實驗臺上?！崩?0多年積累的科研經(jīng)驗，詹其文帶領(lǐng)團隊創(chuàng)造性地用“空間頻率—頻率面到空間—時間面”的傅里葉變換，成功生成了攜帶橫向光子軌道角動量的超短脈沖光學波包，這一新型光波包在光子能量快速向前傳輸?shù)耐瑫r，光子能流圍繞一個隨波包移動的橫向軸旋轉(zhuǎn)，從而形成光子“颶風”。這一發(fā)現(xiàn)在光通信、光信息處理、量子光學、粒子操控、新型能源、相對論空間物理等領(lǐng)域具有重要的潛在研究和應用價值。

所用的方法是光學領(lǐng)域人人都懂的原理，形成的裝置也容易普及，詹其文和團隊卻領(lǐng)先全世界首先做了出來，歸根結(jié)底在于比別人“多想了一步”。項目開始后很快取得突破性進展，甚至在實驗方案敲定之后，僅僅用了兩個月的時間，就驗證出了結(jié)論，這讓詹其文和團隊也吃了一驚。他們反復分析數(shù)據(jù)，最終確定，超脈沖光學波包這一狀態(tài)確實產(chǎn)生了，比原本計劃需要的時間大大縮短。盡管如此，這一突破性成果的產(chǎn)生卻并非偶然，甚至是“十年磨一劍”的成果，夢想的種子經(jīng)過多年在科研上的創(chuàng)新而結(jié)出了最豐碩的果實。

詹其文和團隊的這一研究成果得到了世界光子科學界的認可，并發(fā)表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上，成功入選2020年度全球30項光學重大進展。但他們并未就此停止研究。新的理論出爐，必將在應用領(lǐng)域引發(fā)更激烈的競爭，作為“筑巢”者，也必須走在前面，引領(lǐng)這一領(lǐng)域的創(chuàng)新之潮。2020年，研究團隊獲得了國家自然科學基金委“新型光場調(diào)控物理與應用重大研究計劃”的重點項目支持，將在這一領(lǐng)域進一步開展系統(tǒng)深入的研究。

在科研中，究竟是“從0到1”更重要，還是“從1到100”更重要？這或許是一個無法比較的問題。但從0到1，意味著這項研究有一定的隨機性，也有無限可能性，是一個自由探索的過程，哪怕無法預料可以解決什么應用問題，但只要突破了，就可能會對某個領(lǐng)域帶來革命性的變革；同樣，從1到100，將不斷見證基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新為人類科技生活帶來的巨大推動，這或許就是科研的魅力所在，也是科研工作者全力以赴、追求卓越的動力。

作為Optica副主編，與Nature、APL Photonics、ACS Photonics、 Light: Science and Applications、Nature Physics、 Nature Communications、Advanced Optical Materials、 Nanophotonics等頂級期刊編輯研討會的合影。

注重“理實交融”帶領(lǐng)團隊走上國際舞臺

盡管已經(jīng)本科畢業(yè)20余年，詹其文仍牢牢記得母校中國科學技術(shù)大學的校訓——“紅專并進、理實交融”，既要擁有創(chuàng)新精神與能力，理論和實踐相結(jié)合，也要思慮如何報效祖國奉獻社會，這8個字也成為影響詹其文一生的格言。當時，國內(nèi)光學盡管快速發(fā)展，但仍受到很大的制約，選擇專業(yè)時，詹其文毫不猶豫選擇了這一領(lǐng)域作為自己未來的發(fā)展方向。在中國科學技術(shù)大學的5年學習生活，也為他后來的科研道路打下了堅實的基礎(chǔ)。

20世紀90年代末，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施剛開始普及，科研領(lǐng)域的信息交流對比美國等發(fā)達國家來說仍比較閉塞。詹其文選擇到美國明尼蘇達大學讀博，就是為了到光學學科發(fā)展最前沿的地方，跟世界頂尖的科學家一起交流學習。在復雜光場方面的不斷創(chuàng)新，讓他逐漸在美國光學科學領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。博士畢業(yè)后，他一直與中國科學技術(shù)大學等國內(nèi)高校和科研單位保持著密切合作與交流，并推動納米光子學國際會議到中國舉辦，讓中外科學家實現(xiàn)“零距離”交流。經(jīng)過多年培育，納米光子學國際會議已經(jīng)形成了500人的參會規(guī)模。兩年多前，詹其文排除了回國的重重阻礙，選擇回到上海理工大學任教，將自己在基礎(chǔ)理論上的研究優(yōu)勢，與上海理工大學的工程應用學科優(yōu)勢結(jié)合，致力于解決更多領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

回國以來，詹其文大部分的時間都奉獻給了科研工作，盡管很忙，但他卻甘之如飴——研究工作本身就是他的興趣所在。在詹其文的帶領(lǐng)下，上海理工大學成立了納米光子學創(chuàng)新團隊，并得到了上海市教委的重點支持。作為首席科學家，他希望能夠?qū)⒓{米光子學創(chuàng)新團隊真正培育成在國際上有較大影響力的科研團隊。

在詹其文的領(lǐng)導下，團隊正致力于開展光場時空調(diào)控的應用領(lǐng)域的相關(guān)研究，比如在如何控制光場“手性”的問題上，一旦取得突破性進展，將可以借助光場“手性”辨別物質(zhì)的不同特性。在詹其文看來，光場的“手性”理論可以應用在制藥上，藥物當中許多分子都具有不同的手性，它們分子式一樣，但空間排布的結(jié)構(gòu)卻完全不同，就好像鏡像反射中的左手與右手。“化學藥品的分子中，也許某一種手性是有效成分，相反的手性是無效成分甚至是有毒的，我們需要把不同的手性區(qū)分開來。借助光場調(diào)控，有可能讓我們在幾十納米的尺度上，去分辨和篩選分子是左手性還是右手性。”詹其文說。

如今，納米光子學創(chuàng)新團隊的科研人員已達28人，大都是80后甚至是90后。對團隊中的年輕人才，詹其文希望能夠讓他們每個人都逐漸擁有自己擅長的研究領(lǐng)域，形成自己獨特的科研“品牌”。作為導師，他致力于對不同的學生因材施教，啟發(fā)學生了解自己的優(yōu)點和長處，激發(fā)他們的興趣。在國外的十多年時間里，他已經(jīng)培養(yǎng)了20多名光子學領(lǐng)域的博士研究生。

對于未來的規(guī)劃，詹其文說：“我希望通過扎扎實實的努力，在三五年的時間內(nèi)，讓整體團隊在國際上能夠獲得認可，產(chǎn)生更多研究成果，并在更多的領(lǐng)域中得到應用?！睂τ谠S多人說的“做科研要耐得住寂寞”的說法，詹其文卻有不一樣的回答，“不寂寞，我的研究工作就是我自己感興趣的事情，就這么簡單”。