閔乃本課題組與“三色光”

一般的固體激光器，只能發(fā)出一種顏色的激光；而運(yùn)用介電體超晶格，可同時(shí)發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，或更多顏色的激光。

發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的是南京大學(xué)閔乃本院士課題組。2007年2月27日，閔乃本院士課題組站到了2006年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上。

團(tuán)隊(duì)的組建及其成員

1984年，有兩件事鼓舞了南京大學(xué)教師閔乃本：一是中央決定建立國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)；二是南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成為首批4個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一。當(dāng)時(shí)，閔乃本 49歲，意識(shí)到自己最富有創(chuàng)造性的年華已過(guò)，憑現(xiàn)有的精力不可能一個(gè)人單槍匹馬地完成全部的學(xué)術(shù)設(shè)想。當(dāng)他那年從美國(guó)訪問(wèn)歸來(lái)后，便開(kāi)始致力于組建團(tuán)隊(duì)，一邊培養(yǎng)學(xué)生，一邊開(kāi)拓研究。

于是，1985年，從南大物理系畢業(yè)后已經(jīng)在蘇州一家工廠工作3年的朱永元，被閔乃本招為研究生，并進(jìn)入課題組，專門從事超晶格的研究。后來(lái)，老三屆畢業(yè)生祝世寧、60年代出生的陸亞林也相繼進(jìn)入課題組，成為閔乃本的博士生。再后來(lái)，70年代出生的陸延青也進(jìn)入課題組，成為閔乃本的博士生。

研究在不斷深入。為了演示、驗(yàn)證研究成果，課題組決定制造出研究產(chǎn)品。但是，要將研究成果實(shí)物化，需要工學(xué)人才，于是，西北工大的工學(xué)博士陳延峰，也被閔乃本招來(lái)做博士后研究。1999年后，課題組又先后引進(jìn)了非線性光學(xué)專家王慧田教授和固體激光技術(shù)專家何京良教授。這樣，一支理工相結(jié)合、知識(shí)與年齡結(jié)構(gòu)合理的團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始了漫長(zhǎng)而艱辛的攀登之路。

因此，在“介電體超晶格材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用”獲獎(jiǎng)以后，閔乃本深情地說(shuō)：“該項(xiàng)目從提出基本概念、建立基本理論、證實(shí)基本效應(yīng)，一直到最終研制成功全新的原型器件，歷經(jīng)19年。這不是一個(gè)人能完成的，也不是我和朱永元、祝世寧、陸亞林、陸延青4位教授完成的，還有陳延峰、王振林、王慧田和何京良等，包括許多研究生，他們都是貢獻(xiàn)者。這項(xiàng)成果的取得，是團(tuán)結(jié)合作、勇于創(chuàng)新的結(jié)晶。”

課題的由來(lái)及其研究

閔乃本課題組的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，叫“介電體超晶格材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用”，也有人簡(jiǎn)稱其“三色光”。這一研究課題是如何產(chǎn)生的呢?

1962年，美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)得主Bloembergen提出了準(zhǔn)位相匹配理論，但是這個(gè)理論一直沒(méi)有得到驗(yàn)證。上世紀(jì)70年代末，在南京大學(xué)馮端教授的帶領(lǐng)下，閔乃本等巧妙地利用了在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的生長(zhǎng)條紋，研制出聚片多疇鈮酸鋰晶體，成功地驗(yàn)證了準(zhǔn)位相匹配理論。在這一過(guò)程中，閔乃本敏銳地意識(shí)到這類微結(jié)構(gòu)材料具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，于是萌生了發(fā)展和建立一套有關(guān)該類材料的系統(tǒng)理論并探索其應(yīng)用前景的設(shè)想。

1984年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的一種新的形態(tài)——準(zhǔn)晶。1986年，閔乃本在考慮提出“介電體超晶格”的概念時(shí)開(kāi)始設(shè)想：是否可將準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)引入到介電體超晶格中，構(gòu)建準(zhǔn)周期超晶格?經(jīng)過(guò)二三年的探索，閔乃本和他的學(xué)生朱永元等，建立了準(zhǔn)周期超晶格的多重準(zhǔn)位相匹配理論，并預(yù)言：“一塊準(zhǔn)周期的介電體超晶格，有可能將一種顏色的激光同時(shí)轉(zhuǎn)換成三四種顏色的激光。”雖然當(dāng)時(shí)還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們不敢下定論，但這一理論預(yù)言已讓他們興奮不已。

然而，由于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，發(fā)表的論文并未引起重視。在其后的兩年里，課題組一直在思考制備介電體超晶格的新工藝，卻總也沒(méi)有找到突破口，這也是他們?cè)?9年中最為苦悶的時(shí)候。

1992年，閔乃本在翻閱最新的物理學(xué)雜志時(shí)，忽然看到一篇報(bào)道，說(shuō)日本科學(xué)家利用半導(dǎo)體平面工藝制成了周期結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了激光倍頻。“半導(dǎo)體平面工藝任何圖樣都能做，既然周期結(jié)構(gòu)能行，那準(zhǔn)周期也應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)!”這個(gè)想法一下觸發(fā)了閔乃本院士的靈感。經(jīng)過(guò)兩年多的艱難研制，他們終于成功了。

“做科學(xué)工作，我體會(huì)是自討苦吃，沒(méi)有鐘點(diǎn)，沒(méi)有假期，沒(méi)有周末，一有時(shí)間想到的就是科研，尤其在沒(méi)有突破的時(shí)候非常痛苦。當(dāng)然，入了迷以后就樂(lè)在其中，一旦理論結(jié)果或科學(xué)預(yù)言被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，這種成功的喜悅是別的任何一個(gè)人都不能體會(huì)到的，只有自己能懂。”閔乃本笑著說(shuō)。

成果的價(jià)值及其應(yīng)用

1996年，課題組根據(jù)多重準(zhǔn)位相匹配理論，將三個(gè)獨(dú)立的光參量過(guò)程，高效地、全固態(tài)地集成在一塊介電體超晶格中，將一種顏色的激光同時(shí)轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色激光。但這只是研究成果，而要將它轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，還需要制造出樣機(jī)。閔乃本坦言：“和發(fā)達(dá)國(guó)家不同，我們的基礎(chǔ)研究成果如果不再花一點(diǎn)時(shí)間將它演示出來(lái)，就不能吸引工業(yè)界或應(yīng)用界的關(guān)注。”為此，課題組將已經(jīng)取得的基礎(chǔ)研究成果與全固體激光技術(shù)相結(jié)合，齊心協(xié)力，終于在2005年利用研制的介電體超晶格，研制成功全固態(tài)超晶格紅、綠、藍(lán)三基色和白光激光器。對(duì)一個(gè)以基礎(chǔ)研究為主的課題組而言，要完成一臺(tái)技術(shù)復(fù)雜的原型器件，其難度可想而知。然而，他們不但制出了樣機(jī)，還取得了4項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利和1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。

閔乃本院士課題組經(jīng)過(guò)19年的努力，為準(zhǔn)位相匹配材料的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，使國(guó)際上同行科學(xué)家逐漸關(guān)注介電體超晶格的應(yīng)用前景。由于隨后美國(guó)斯坦福大學(xué)一批科學(xué)家的介入，使這一冷門領(lǐng)域逐漸走向熱門，而此前，閔乃本院士課題組坐了十年冷板凳。

對(duì)于介電體超晶格的應(yīng)用前景，閔乃本有著更多的憧憬：“我們知道，一般的固體激光器只能出一種顏色的激光，用了我們的介電體超晶格以后，可同時(shí)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，或更多顏色的激光，這就為當(dāng)代激光技術(shù)開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，也開(kāi)拓了光學(xué)和非線性光學(xué)的新領(lǐng)域。除了三基色激光器可以用于彩色顯示外，還有許多事情可以做：如用多波長(zhǎng)激光器有可能去發(fā)展一種激光醫(yī)療儀器，它的好處在于，有些病癥的病灶對(duì)某一個(gè)波長(zhǎng)的激光比較敏感，就可以用它來(lái)檢測(cè)和定位，然后再用另一波長(zhǎng)的激光對(duì)它進(jìn)行手術(shù)治療。當(dāng)然，目前這只是可能的設(shè)想，還沒(méi)有做出來(lái)。如果有醫(yī)療界、企業(yè)界愿意做，我們會(huì)很高興與他們一起來(lái)研究。”

相關(guān)鏈接

閔乃本：1935年生，南京大學(xué)教授，中國(guó)科學(xué)院院士。現(xiàn)任南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，國(guó)家973計(jì)劃顧問(wèn)專家組材料領(lǐng)域召集人，國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“量子調(diào)控”專家組組長(zhǎng)，全國(guó)政協(xié)常委，江蘇省政協(xié)副主席。主要從事凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究。

祝世寧：1949年生，南京大學(xué)教授。研究領(lǐng)域?yàn)槟蹜B(tài)物理和非線性光學(xué)，主要研究方向：光子晶體、非線性光子晶體和光學(xué)超晶格，微結(jié)構(gòu)電磁波材料以及壓電、鐵電材料的結(jié)構(gòu)與物性。在國(guó)際刊物上發(fā)表論文多篇，申請(qǐng)、獲得國(guó)際、國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。

朱永元：1949年生，南京大學(xué)教授。多年從事微結(jié)構(gòu)材料的研究，涉及介電體超晶格、金屬微結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、制備和特殊物理性能(壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、等離極化激元)等領(lǐng)域。在國(guó)際刊物上發(fā)表論文多篇。

陸亞林：1964年生，1991年至1996年期間在南京大學(xué)物理系和材料科學(xué)系工作。現(xiàn)任美國(guó)克羅拉多大學(xué)泉城分校電子工程系教授。主要研究激光與非線性光學(xué)、太赫芝材料與器件、先進(jìn)納米材料等，在國(guó)際期刊上發(fā)表論文多篇，持有多項(xiàng)中國(guó)、美國(guó)專利，并是多種國(guó)際學(xué)術(shù)刊物審稿人。

陸延青：1971年生，南京大學(xué)教授。主要圍繞介電體超晶格材料及其聲光電應(yīng)用展開(kāi)工作，先后在《科學(xué)》等重要刊物上發(fā)表SCI論文40余篇。自2000年起進(jìn)一步將工作轉(zhuǎn)向應(yīng)用工程技術(shù)領(lǐng)域。曾先后擔(dān)任多家外國(guó)大公司的技術(shù)主管和顧問(wèn)，在光通訊產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)等方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。