創新跨越 追趕納米光子學的前沿
——專訪中科院物理研究所研究員、博士生導師李志遠教授

本刊記者 薛天寧 魯長國

創新跨越 追趕納米光子學的前沿
——專訪中科院物理研究所研究員、博士生導師李志遠教授

本刊記者 薛天寧 魯長國

2009年6月在澳大利亞墨爾本參加國際會議

光學是一門古老的學科，對光的本性的探索和認識，從牛頓時代到愛因斯坦時代一直是推動物理學和自然科學進步的第一推動力。牛頓對太陽光顏色的棱鏡實驗揭開了物理探索的序幕。愛因斯坦從光速不變性出發，提出相對論，引發了物理學乃至自然科學的革命。納米光子學則是一門結合當代納米科學與光子學的新型交叉學科，基于納米制造技術的微納結構將引起光子技術的巨大進步，在集成光子回路,超快光信息處理,生物光子學等方面納米光子技術都有很大的應用前景。目前，中國科學院物理所光物理重點實驗室的李志遠教授與他所帶領的團隊正在致力于利用納米光子學器件在納米尺度上操縱和控制光子，實現全光集成，發展更小，更快和更強的光學器件，為下一代的信息技術提供物理平臺和技術保障，為提高能源開發和利用效率發揮作用。

“全國百篇優秀博士論文”：一個高水準的起點

1990年，18歲的李志遠從福建省漳浦縣的一個小鄉村北上，前往中國科技大學物理系學習。在本科分專業時，他選擇了光電子學，從此與光結下了不解之緣，踏上了光學研究的道路。1994年本科畢業后，李志遠繼續北上，來到中國科學院物理研究所作為保送生繼續攻讀光學碩士和博士。在本科最后一學期做畢業設計和碩士研究生第一年做課程學習期間，他就孜孜不倦地到圖書館閱讀各種相關的書籍和期刊，在廣闊的知識天地里如饑似渴地吸收營養。并潛心思考，用心體會前人研究成果的美妙，初步形成了自己獨立做科研的風格：發現問題，分析問題和解決問題。到物理所后，隨著研究的深入，他更加堅定了自己的科研道路，并立志在科學前沿領域有所建樹。當時他的導師做的是其他方向的研究，李志遠在學習和閱讀文獻的過程中逐漸了解了納米光學這個全新的領域，他敏銳地感覺到這個領域將在未來的科技發展中占有重要地位，憑借自己的濃厚興趣和勇于鉆研的精神，李志遠打算大干一場。他幾乎把自己的全部時間投入到學習和研究上，并取得了豐碩成果。

1999年，李志遠從中國科學院物理所博士畢業，他的畢業論文《近場光學和光子晶體中電磁場的研究》拿到了2001年度的全國百篇優秀博士論文獎。全國優秀博士學位論文評選工作是由教育部和國務院學位委員會批準并組織的面向二十一世紀教育振興行動計劃，旨在逐步建立有效的質量監督和激勵機制，推動研究生教育工作重點切實轉移到提高培養質量上來，培養和激勵在學博士生的創新精神，促進高層次創造性人才脫穎而出。自1998年5月啟動以來，每年從全國各學科成千上萬的博士論文中選取百篇予以獎勵資助。這是一個很高層次的獎項，競爭激烈，要求嚴格，每個學科往往只有一篇獲獎論文，而獲得此項殊榮的博士一般也都已經在自己所在的研究領域嶄露頭角，并有著很好的發展前途。近場光學和光子晶體是當時國際上十分熱門的兩個光學研究領域，李志遠的這篇論文著眼于這兩個領域里局域和周期性介觀體系的電磁場問題的求解，提出了求解局域和周期性介觀體系的電磁場分布的新方法，通過對近場光學和光子晶體兩個領域中一些問題的研究，取得了有意義、創新性的結果，并初步對利用納米光學結構調控光傳輸的強大能力有了深刻的認識。在1998年底完成博士論文答辯后至1999年3月離開物理所前的短短三個月時間里，李志遠積極協助導師開展了植物體系光合作用的文獻閱讀和整理工作。雖然花費了大量的時間和精力，但是他無怨無悔，一切都是為了科研任務的需要。這件事情反過來給他很多深刻的教益，一是開拓了知識視野，增長了閱歷，二是培養了團隊協作的精神和作風習慣。這個經歷為他將來不斷開拓研究領域，發掘各學科的交叉點積累了寶貴的財富。

百篇優秀博士論文獎是李志遠學生時期辛勤努力的最佳注腳，也給了他以后科研道路一個高水準的起點。在畢業時他還獲得了中科院“院長特別獎”，這個獎項是中科院研究生的最高榮譽，每年只有20名學生能獲此殊榮。這些獎項進一步堅定了他終生投入光學研究事業的決心和信心，回憶自己的求學時代，李志遠教授總結說，一個好的研究目標是成功的一半，而善于發現問題，分析問題，解決問題，踏踏實實不斷深入，則是成功的另一半。

2010年10月在物理所實驗室

“百人計劃”：一個海闊天空的發展平臺

博士畢業后，李志遠先后在香港科技大學、美國華盛頓大學和美國能源部Ames實驗室從事科研工作，在國外的科研經歷大大開拓了他的視野，使他真正接觸到世界領先的前沿課題，并進一步扎實了他的基礎理論功底。然而，良好的科研條件和豐厚的物質生活都沒能留住李志遠的心，他始終認為在國外的學習工作是一種過渡階段。他是中科院物理所培養出的納米光學領域人才，他喜歡國內熟悉的生活氛圍，那里有他時刻想念的師長朋友。終于，一個合適的時機來了，李志遠申請到了中國科學院“百人計劃”。

“百人計劃”是1994年中國科學院啟動的一項高目標、高標準和高強度支持的人才引進與培養計劃。該項目原計劃在20世紀的最后幾年中，以每人200萬元的資助力度從國外吸引并培養百余名優秀青年學術帶頭人。十幾年來，“百人計劃”已經為中國科學凝聚了大批優秀人才。

此時的李志遠已經在納米光學理論研究領域取得了很大進展，在光子晶體，集成光學，近場光學，和衍射光學中電磁場問題的理論研究和數值計算上取得多項創新成果，包括近場光學顯微鏡系統中電磁場的嚴格計算；近似矢量衍射理論模型在衍射光學元件設計中的應用；光子晶體中原子自發輻射和熱輻射的研究；無序和缺陷對光子帶隙的影響；晶體結構對稱性在平面波方法和傳遞矩陣方法中的系統應用；三維金屬光子晶體電磁波傳播的解析求解等等。他的成果有多篇論文發表在Phys.Rev.Lett，JACS，Appl.Phys.Lett,Phys.Rev等高質量的學術期刊上。當李志遠決定申請中科院“百人計劃”后，他沒有思想包袱，也沒有為自己留后路，毅然提前終止國外的職位。“漫卷詩書喜欲狂，青春作伴好還鄉”，2003年底，李志遠回到了祖國。這選擇中除了對自己的才干和能力有充分的自信外，還飽含著海外游子對回國服務的熱切向往。經過層層選拔和審評，李志遠順利入選“百人計劃”，2004年1月正式上崗，翌年獲得了“擇優支持”。

有了雄厚的資金支持，有了堅實的理論功底，李志遠開始考慮理論與實驗相結合的研究方向，爭取光學理論研究成果的工業化和社會化。光學本身就是一門具有強烈應用導向的自然科學分支，小到光纖通訊、光盤、照明、圖象顯示，大到激光核聚變大型工程、人造地球衛星激光測距系統，都是光學研究的成果。將納米光學盡快與生產市場接軌，直接服務社會，是各國科學家目前爭分奪秒奮斗的目標。李志遠提出“兩手抓”的科研方針，即理論研究繼續做，理論實驗相結合。以此為目標，他傳承并發揚光大物理所光物理實驗室前輩們開創的科研事業，積極組建了一支老、中、青相結合的研究團隊，帶領一支將近20人左右的碩士和博士研究生隊伍，進行實驗室的軟件和硬件建設。研究團隊采用了外部購置和自行研制科學儀器相結合的方針，組建了較為完整的實驗平臺,包括高性能的計算機群工作站，掃描近場光學顯微鏡，微波網絡分析儀，飛秒脈沖激光器，單光子計數器，可產生大面積均勻可調諧靜磁場的永磁鐵，能制備納米平整度金屬薄膜的磁控濺射設備，以及其他的實驗儀器和設備。此外，課題組還充分利用并參與發展了中科院物理所的微納加工技術平臺。這些軟件和硬件較好地服務于研究課題的開展。

他所帶領的研究小組圍繞以光子晶體和其他納米光子學前沿課題開展了多學科交叉的研究，內容包括光子晶體，金屬納米顆粒和納米結構，以及非線性光子晶體等。結合多種理論分析和數值計算工具，運用精密光譜技術，非線性光學技術，近場光學技術，超快光學技術和微加工技術等，對研究課題作多角度，多尺度的理論、實驗和應用研究，獲得了多項創新成果。充分發展和開拓國內外的學術合作途徑，取得了良好的效果。

李志遠多年在科學前沿的辛勤勞動和不懈努力獲得了豐厚的回報，至今他總共發表SCI論文超過200篇，其中在Phys. Rev. Lett., JACS, Nano Letters,Advanced Materials等高影響因子(IF>7)論文將近40篇，Appl. Phys. Lett.,Phys. Rev. A/B, Optics Letters,Optics Express, J. Phys. Chem. B,Langmuir，ACS Nano等較高影響因子(7>IF>3)上的論文70多篇。論文在國內外有廣泛的學術影響，發表以來總共被SCI引用超過5000次，將近20篇論文被引用超過100次，H-index為38，在國內年輕學者中算是很突出的。由于這些研究成果，李志遠研究員在國內和國際重要的學術會議上作邀請報告共計40多次，被邀請作為國內核心期刊《科學通報》和《光學學報》的編委。同時，他還積極為國內許多大學和科研機構的本科生、研究生做前沿科學問題的講座，熱心為青年人答疑解惑，希望自己的學識和經驗能夠為有志于做科學研究的青年學生提供參考和指引。2008年，“百人計劃”結題，李志遠的項目終期評估獲“優”。在百人計劃的資助下，李志遠回國后的科研工作很快就打開了一個大好的局面。

國際知名實驗室：一個并非遙遠的目標

在“百人計劃”之后，2005年和2006年，李志遠作為課題負責人又先后申請到了國家自然科學基金委“杰出青年基金”項目、國家重點基礎研究發展研究計劃（973）項目，在光子晶體和表面等離激元結構等為代表的納米光子器件及應用、新型人工電磁介質的理論與應用研究等領域開展研究，并有了不斷更新的突破。其中，金屬納米顆粒的表面等離子體共振在局域場增強和Raman信號檢測的應用研究成果，被2007年4月6日的國際權威期刊Science雜志選為Editor’s Choice專欄作為亮點加以評述，理論計算的表面電場分布圖則被選為插圖。金屬納米顆粒表面等離子體共振在生物醫學疾病檢測和治療方面的應用研究成果，被2008年1月份的國際權威期刊Nature Photonics雜志的Research Highlight欄目專題介紹和積極評價。在新型金屬納米顆粒合成的微觀機理方面的研究成果，被2009年6月18號一期的國際權威期刊Nature雜志作為研究亮點(Research Highlight)所評述。最近，他開拓了利用增益介質和金屬納米顆粒相復合以放大和增強表面等離子體共振的新領域，發現該方法能夠產生巨大的電磁場增強效應，從而在單分子的拉曼光譜檢測和非線性雙穩態納米光開關器件等方面有誘人的應用前景。該方案突破了國際學術界多年以來依靠金屬顆粒的幾何形狀優化設計來增強局部電磁場強度的固有思路，研究成果得到了國內外許多專家的關注。

同時，李志遠領導的研究團隊也在不斷向納米光學實驗制造和工業運用靠近。在科研實踐中，他深深體會到必須理論和實驗緊密結合，才能實現基礎和應用領域的科研突破和創新跨越。為此，研究團隊致力于開發和發展基于麥克斯韋方程組的理論方法和數值計算技術，擁有了包括平面波展開方法，轉移矩陣方法，時域有限差分方法，解析模式展開方法，多重散射方法，離散偶極子近似方法，KKR方法，米氏散射理論，自恰積分方程理論等在內的多種數值計算程序包。這些理論工具使得課題組能夠對光子晶體等微納結構光子材料和器件的各種重要的光學特性作系統性的多角度的分析、探索和設計。此外，他還意識到沒有高質量的實驗樣品和高靈敏度的測量技術就沒有世界一流的研究成果，所以一直堅持將發展實驗設備和技術放在基礎性的重要位置，并取得了良好的效果。在理論優化設計的基礎上，在堅持做有原始創新性的研究課題的方針指引下，李志遠領導的研究團隊開展了在光子晶體集成器件，表面等離子體光學電磁場增強和高靈敏度信號檢測，非線性光子晶體光開關和頻率轉換，光鑷技術和生物物理交叉等多方面的理論和實驗研究，并不斷取得進展。

通訊波段二維光子晶體薄膜和功能元件的實驗制作、光學表征、理論分析和數值模擬，有可能為更大容量，更快速度的信息處理提供基礎，目前研究團隊已經大量制作和試驗了各種通訊波段硅基二維光子晶體橋式結構和功能元件，最近在芯片式光子二極管和光隔離器的開發上取得了突破性進展。研究團隊針對我國大力發展全固態量子調控和量子信息技術的有利時機，致力于開發物理器件，最近在高品質因子、低模體積的光子晶體共振微腔的實驗制備上獲得突破性進展，微腔的品質因子將近100000，模場體積遠小于一個波長的立方，性能指標為國內最好水平，為國內學術界在該領域追趕世界前沿創造了必要的基礎條件。課題組和國內外多個有影響力的實驗研究團隊長期開展緊密的合作，系統性地設計和合成了具有復雜幾何形狀和拓撲結構的金屬納米顆粒，開發它們在表面等離子共振，表面增強拉曼效應，光學相干層析術，傳統的化學及生物傳感器，以及醫療健康等高新技術上的應用。課題組擁有國內最早發展起來的光鑷技術，涵蓋了單光鑷，雙光鑷和多光鑷實驗系統。該技術能夠精確測量納米量級的位移和皮牛量級的相互作用力，是定量研究蛋白質分子、RNA分子和DNA分子等生物大分子微觀作用及生理功能的有力武器。該研究課題充分體現了不同學科之間的交叉帶來的益處，也體現了光學作為一門具有強烈應用導向的學科，其生命力在于與其他自然科學和工程科學的不斷交叉和融合。

為了培育科研隊伍，李志遠教授在學生培養上十分用心。盡管事務繁忙，他仍堅持每周至少有三天時間與學生見面，了解實驗進展，解決學生遇到的問題和困難，他說與學生討論的過程是一個教學相長的愉快之旅。作為一個做理論研究出身的學者，李志遠教授經常深入實驗室科研第一線，與學生們討論實驗原材料的選擇和標定，實驗設備的使用與改進，實驗技術的開發與創新，以及實驗方法的試驗與優化。 通過這樣的實踐，李志遠對實驗研究的各個環節有了清晰的理解。結合自己在理論研究形成的邏輯推理素養，以及對課題組總體研究有宏觀細致把握的優勢，李教授經常能夠為課題組在各方面做實驗研究的學生們提供非常有參考價值的思路和方案。這種理論和實驗緊密結合的良好氛圍，也熏陶了課題組每一位有抱負的年輕學生，啟發他們開動腦筋，深入廣泛地思考科學問題，培養扎實的創新能力。李教授認為，一個優秀的科研工作者需要兼具聰明的頭腦和勤奮的態度，同時還需要敏銳的洞察力，如果能有這樣的人才可以得而教之，那真是人生一大幸事。

對于所取得的成就，李志遠教授保持了謙虛和謹慎，他說自己只是在努力追趕世界前沿。談及實驗室近期的發展目標，他的目光炯炯有神：一是在納米光學的多個研究方向都能夠有所進展，在幾個研究的集中點上有所突破；二是推進不同學科之間的交叉互動，實現新研究方向的開拓，和納米光子學器件新功能的開發；三是在研究中發展出新技術和新概念，能夠與工業界合作，實現產品開發，服務社會大眾。李教授希望在不久的將來自己的研發中心能在國家重大需求方面有所貢獻，在國際上取得一定的影響力，在光學技術的發明和發展上有所突破。

正如李志遠教授的自我總結，成功在于扎實的基礎和明確的目標。目標可以高遠，但先要進行分解，一步一步踏實前進。不斷發現問題、分析問題、解決問題，周而復始，科研就是這樣的簡單枯燥而又具體生動。從小事做起，從具體問題做起，才能越做越開闊，越做越清晰。李志遠教授就是這樣的方法在科研道路上不斷取得快速飛躍，不斷靠近國際研究領域的前沿陣地。相信他和他所帶領的中科院物理所納米光學研究團隊也會盡快實現服務于國家重大需求，在醫療衛生、信息處理、新能源等方面有所貢獻的宏偉目標。

專家檔案：李志遠教授，1972年5月生。1994年本科畢業于中國科技大學物理系，1999年取得中科院物理所理學博士，1999-2003先后作為訪問學者、博士后研究助理在香港科技大學、美國華盛頓大學和美國能源部Ames實驗室從事光子晶體理論研究，2004年1月入選中國科學院“百人計劃”并獲“擇優支持”，2005年獲國家“杰出青年”科學基金資助。現任中科院物理研究所研究員、博士生導師，中國科技大學物理系兼職教授。