光纖世界的探索之旅——記中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院教授趙春柳

本刊記者 張春壯

如果說半導(dǎo)體材料的應(yīng)用是20世紀(jì)中最重要的技術(shù)突破，它推動(dòng)了信息時(shí)代的發(fā)展，那么在20世紀(jì)末光子晶體的誕生，使人類如操縱電子那樣操縱光子成為可能。隨著1987年K.O.Hill等人首次發(fā)現(xiàn)了摻鍺光纖的光敏性和由此產(chǎn)生的光纖光柵以來，光纖發(fā)展與應(yīng)用經(jīng)歷了由理論到實(shí)際應(yīng)用的大發(fā)展，特別是1999年，英國巴斯大學(xué)Cregan.R.F成功拉制出第一根在空氣纖芯中導(dǎo)光的空芯隙型光子晶體光纖，使光子晶體光纖在設(shè)計(jì)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中成為近20年來發(fā)展最吸引眼球、最具應(yīng)用價(jià)值的新型材料之一，這是無數(shù)科學(xué)研究者的努力探索的結(jié)果，記述中國計(jì)量學(xué)院趙春柳教授的探索之旅，也許能展現(xiàn)這些研究者的研究歷程。

求學(xué)中的光纖研究之路

趙春柳1999年獲理學(xué)碩士學(xué)位，由于優(yōu)異的成績使她直升南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)所“光電信息技術(shù)科學(xué)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士,在這里她有幸遇到在光電子學(xué)、光子學(xué)方面成就斐然的董孝義教授，豐富的專業(yè)知識(shí)、新穎的課題研究使她迷上了光子晶體研究，踏上了光子晶體光纖研究道路。2002年她獲得理學(xué)博士學(xué)位，其間因成績突出在2001年被學(xué)校作為優(yōu)秀學(xué)生公派到香港理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，在香港理工大學(xué)開闊的學(xué)習(xí)空間里，她如饑似渴汲取前沿學(xué)科知識(shí)。海闊憑魚躍，天高任鳥飛，獨(dú)特的視野和耀眼的成績，使她在新加坡國家通信研究院選拔中勝出，2002年至2004年作為新加坡國家通信研究院光通信部門研究員，她從事光纖傳感、光纖光柵器件、光子晶體光纖、光纖激光器等研究。是種子總會(huì)發(fā)芽，是人才總能閃光，2004年趙春柳獲得香港理工大學(xué)博士后基金，在香港理工大學(xué)工程學(xué)院的召喚下，同年回到香港理工大學(xué)工程學(xué)院電機(jī)系擔(dān)任博士后研究員，從事光子晶體光纖等方面的應(yīng)用研究。2008年她再次應(yīng)邀到香港理工大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，深入研究聲波與微結(jié)構(gòu)光纖的相互作用。2008年年底，趙春柳作為高層次引進(jìn)人才被中國計(jì)量學(xué)院特聘為教授，現(xiàn)主要從事光子晶體光纖及其應(yīng)用、光纖光柵及其應(yīng)用、光纖傳感、光纖通信器件等相關(guān)領(lǐng)域研究。努力終結(jié)碩果，她在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議發(fā)表論文40余篇，30余篇論文被SCI／EI／ISTP三大檢索收錄，邀請報(bào)告3篇。獲國家發(fā)明專利14項(xiàng)，實(shí)用新型專利20余項(xiàng)。曾擔(dān)任青年科學(xué)家論壇執(zhí)行主席，2009、2010年國際先進(jìn)信息通信技術(shù)大會(huì)（ICAIT）技術(shù)委員會(huì)成員并主持和完成多項(xiàng)國家及省部級(jí)項(xiàng)目。

光子晶體光纖的新奇研究

光子晶體光纖又稱微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖，是近年來興起的一種新型硅玻璃光纖，因其獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活設(shè)計(jì)而具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的奇異特性。趙春柳以女性特有的敏銳，從獨(dú)特的視角對(duì)光子晶體光纖展開了研究，在研究中，她發(fā)現(xiàn)因部分灌入液體的空心光子帶隙光纖結(jié)構(gòu)有很大的不對(duì)稱性，導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)囊粋€(gè)偏振模能量大量泄漏，而另一個(gè)正交偏振模在光纖中低損耗傳輸，從而實(shí)現(xiàn)良好的偏振效果。創(chuàng)新的沖動(dòng)讓她對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并利用光子晶體光纖可填充的特點(diǎn)，首次使用商用光纖熔接機(jī)利用一種簡單錯(cuò)位熔接技術(shù)，制作了一個(gè)部分灌入液體的空心光子帶隙光纖偏振器件，這種新穎的光纖偏振器件因體積小、損耗少、波長工作范圍廣等優(yōu)良性能而具有潛在應(yīng)用價(jià)值，可在光器件的系統(tǒng)測試，無光源器件等很多領(lǐng)域使用。同時(shí)，這種新穎的光纖偏振器件還將在以偏振或者相位為主要檢測特征的光纖系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖電流傳感器、光纖水聽傳感以及相干光通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

“踏實(shí)工作是實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的最好選擇”這個(gè)理念滲透在趙春柳光纖研究的每個(gè)征程，每次創(chuàng)新都是她反復(fù)深入研究與論證的結(jié)果。因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)一些新奇的光纖光子器件，光子晶體光纖成為當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)之一，趙春柳敏銳地將研究方向鎖定在光子晶體光纖及應(yīng)用研究，她充分利用光子晶體光纖的奇異特性，將不同的光學(xué)效應(yīng)與其結(jié)合，探索其中的相互關(guān)系，獲得傳統(tǒng)光纖器件無可比擬的特性。其中，她將光子晶體光纖與光纖環(huán)鏡結(jié)合，利用高雙折射光子晶體光纖的高雙折射和良好的溫度穩(wěn)定性，獲得了高穩(wěn)定的光纖干涉儀，其溫度穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的光纖干涉儀提高了55倍。當(dāng)將酒精灌入到高雙折射光子晶體光纖的空氣孔，將酒精灌入的高雙折射光子晶體光纖插入到光纖環(huán)鏡中時(shí)，所形成的光纖傳感器溫度靈敏度高達(dá)6.6nm/℃，是光纖布拉格光柵（FBG）的600多倍。

同時(shí)，她將光子晶體光纖與長周期光柵相結(jié)合，為探索其中相互關(guān)系，她首次通過引入色散因子，找到了引起光子晶體光纖長周期光柵特殊現(xiàn)象的根本原因，為優(yōu)化設(shè)計(jì)不同特性的長周期光柵提供了可靠的理論依據(jù)。在此工作的基礎(chǔ)上，她更進(jìn)一步研究了空芯光子帶隙光纖長周期光柵，這種光柵結(jié)合了光子帶隙和模式耦合兩種效應(yīng)。在研究中她針對(duì)空芯光子帶隙光纖長周期光柵的模式耦合的機(jī)理以及成柵機(jī)制等方面的問題，建立了理論模型，并成功利用CO2激光器在不同光子晶體光纖上制作了多種具有不同溫度和應(yīng)力敏感特性的長周期光柵。

此外，她將光子晶體光纖與物質(zhì)檢測相結(jié)合，充分利用光子晶體光纖的空氣孔，讓它們成為氣體、液體、原子、微粒子通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的檢測。當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)入空芯光子帶隙光纖的空氣孔時(shí)，由于揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)光有極強(qiáng)的瑞利散射效應(yīng)，從而改變通過的光強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高靈敏、緊湊的揮發(fā)性有機(jī)物傳感器。當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)入高雙折射光子晶體光纖包層空氣孔時(shí)，則會(huì)極大地改變光纖的雙折射，使得由其構(gòu)成的干涉儀波長迅速地移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測。通過詳細(xì)的理論分析，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)有機(jī)物在高雙折射光子晶體光纖空氣孔內(nèi)壁所形成的液化薄膜起到關(guān)鍵作用。這一系列成果將促進(jìn)我國各種光纖光子器件在大型土木工程、電力、醫(yī)療等民用領(lǐng)域和航空航天航海等軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，她深入細(xì)致的研究也將為光子晶體光纖器件及傳感技術(shù)的實(shí)用化奠定堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

薪火相傳的育才情懷

如果說在學(xué)術(shù)研究中趙春柳如一棵大樹般堅(jiān)韌、無畏，那么在育才傳承中她卻如春雨般低調(diào)充滿情愫與關(guān)懷，趙春柳認(rèn)為治學(xué)是一件慢功夫的活，不但要有科學(xué)方法、嚴(yán)謹(jǐn)邏輯、縝密思維、豐富材料、大膽假設(shè)以及創(chuàng)新精神，更要有人為關(guān)懷、和諧氣氛，構(gòu)筑導(dǎo)師與學(xué)生間友善、和諧、朝氣的研究環(huán)境利于學(xué)生主動(dòng)從不同層面、不同視域吸收老師的長處和個(gè)性，與老師形成一種潛在的“默契”，這更能激發(fā)學(xué)生的智慧、靈感與沖勁，最終讓學(xué)生受益終身。如她學(xué)生畢業(yè)時(shí)所說“感謝我的導(dǎo)師趙春柳教授，從論文的選題、研究工作的進(jìn)展及論文的完成都傾注了導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)，在學(xué)習(xí)上和生活上她給了我很大的幫助。趙老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格、淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、開闊眼界的思維、對(duì)待科研教育的認(rèn)真負(fù)責(zé)、創(chuàng)新的態(tài)度，使我受益匪淺。同時(shí)趙老師積極樂觀的生活態(tài)度深深影響了我，無論在學(xué)術(shù)上還是生活上趙老師都是我今后學(xué)習(xí)的榜樣。”正是在這種獨(dú)特的、富于女性溫婉的學(xué)習(xí)氣氛下她獲了累累碩果，她指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表的多篇高水平論文在光學(xué)領(lǐng)域國際一流期刊Optics Letters上刊發(fā)，獲批專利20余項(xiàng)，有的研究成果還入選為“2011年中國光學(xué)重要成果及優(yōu)秀產(chǎn)品”。

與姚建銓院士在一起

作為人師，趙春柳始終把“立德樹人”作為教師職業(yè)的根本，她甘愿為人梯，為助推青年教師發(fā)展，作為學(xué)院青年教師導(dǎo)師，從教學(xué)、科研、為人等方面她耳提面命，指導(dǎo)青年教師逐步走上教學(xué)科研崗位，并因優(yōu)異成績獲國家自然科學(xué)基金資助。此外，她還積極為青年教師發(fā)展搭建平臺(tái)，推薦多名青年教師前往香港理工大學(xué)等國（境）外高校訪學(xué)進(jìn)修、提升水平。她和風(fēng)細(xì)雨、不吝惜的教育風(fēng)范促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)快速發(fā)展，目前僅她所在光纖傳感技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)成員近20名，并在2014年獲得了“浙江省工人先鋒號(hào)”稱號(hào)。