李濤：微納光學世界的探路人

吳應清

光學是物理學中最古老的一個基礎學科，又是當前科學研究中最活躍的學科之一。

光學的歷史久遠，早在春秋戰國時《墨經》就已記載了小孔成像的實驗：“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……”經過長時間的發展，現如今，光學仍是當前科學研究中最活躍的前沿陣地，光學技術在現在的信息社會發揮著不可估量的作用。

在南京大學現代工程與應用科學學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間中，人們對光學的理解大都停留在宏觀層面，而隨著現代技術的發展，特別是21世紀以來微納加工技術的進步，科學家們開始關注微納尺度之下光的激發和傳播性質。因為在該尺度下，材料結構尺寸已接近甚至小于光的波長，利用這些結構可以實現自然材料所不具有的新穎光學效應和功能，這吸引了眾多科學家的研究興趣。而李濤研究的核心內容也是從這一方向展開的。

從凝聚態物理到微納光學

李濤與微納光學研究領域的結緣是一個在不斷嘗試中發現自我的過程。

李濤大學本科就讀于南京大學物理專業，在凝聚態物理方向打下了堅實的基礎。在他2000年本科畢業時，納米材料研究正如火如荼，在對新生事物濃厚興趣的驅動下，李濤選擇了繼續在南京大學都有為院士研究組直接攻讀納米磁學方向的博士研究生。當時，李濤的主要研究課題是磁性納米線的制備和性能研究，其可能的應用前景是將納米線作為磁存儲單元構建高密度的磁存儲。讀研期間，李濤跟隨導師系統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，李濤發現用他們的方案來真正做高密度磁存儲很難成行。然而，在研究過程中他關注到了納米尺度下一些新穎的光學現象，比如制備納米線所用的多孔氧化鋁模板的熒光效應，在填充介質后光譜的變化等。這些新的發現讓李濤感受到科研探索中的新的興奮點。

在強烈好奇心的驅使下，李濤在博士論文的收尾階段就獨自開始了納米光子學方向的探索。經過一段時間調研后，李濤被負折射率材料的研究所吸引。負折射率材料是違反自然界材料的一種新穎的人工結構材料，它的核心原理可以通過構建一種人工磁性的負磁響應來實現。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域展開新的探索。在聽了加州大學伯克利分校張翔院士的報告后，李濤了解到南京大學祝世寧研究組也正在開展相關的研究。于是，李濤主動聯系了祝世寧院士，表達了對這一課題的興趣和開展研究的決心，并于2005年博士畢業之后，來到祝世寧研究組開展博士后研究工作。

祝世寧院士領導的研究團隊一直致力于介電體超晶格材料的研究，并在準相位匹配、光學非線性效應和激光頻率轉換等方面取得了突出成就。基于相關研究，祝世寧院士一直希望能將其物理思想拓展到超構材料的研究中去。于是，李濤在來到新的研究組之后便開始從事以負折射率材料、著手材料為主的超構材料的研究，并在光學波段的超構材料研究中取得了一系列優秀的科研成果。其中，在超構材料中被廣泛采用的漁網結構，就是李濤與國際同行幾乎同時期提出的設想，并最后被實驗證實。相關成果入選了“2007中國光學重要成果”。

遵從內心 留校開展科學研究

2008年博士后出站后，李濤面臨著三個選擇：出國從事科研工作，去其他學校應聘或是留校繼續科研工作。最終，經過慎重的思考，李濤還是決定留在南京大學繼續自己的科研之路。他說，一方面，自己對納米光學的研究工作剛剛起步，很多設想正有待展開，這些研究需要一個穩定的科研平臺來提供支持；另一方面，祝世寧院士的團隊具有非常好的科研軟環境，祝老師總能在研究思路上給予正確的引導，同時又能給各人提供自由開放的空間。對于李濤來說，這是一個專心科研的最佳環境。而且，當時南京大學在醞釀依托材料科學與工程系建設新興的工學院，這都非常契合李濤的研究方向和研究思路。于是，他便應聘到了材料科學與工程系，在此進一步開展有關超構材料的研究工作。

在新的崗位上工作時，一次偶然的機會對李濤的研究思想和研究理念上產生了重要影響。當時，閔乃本院士（介電體超晶格實驗室創建人）來實驗室指導，看到他們所做的等離激元、納米光子學研究都還停留在空間光的透反射性能的測試上，這不能體現出納米光子器件小、集成度高的優勢。“如何能在納米尺度、平面維度上去調控光場，對以后的光子集成才更有意義。”閔乃本院士說。在這一建議的觸動下，李濤帶領學生們通過不懈努力，組建了一套用于觀察研究表面等離激元在金屬表面傳播性質的實驗裝置，并發展創新了表面波調控方法，在2011年前后取得了一系列重要研究成果。

其中，李濤研究組實現的表面等離激元艾里波束，受到了國內外科研界的廣泛關注。根據這項成果，李濤受邀在國際會議上做了大會報告，并在會后得到了Nature Photonics雜志編輯的采訪，咨詢了該項成果背后相關的設計原理、實現過程以及其中的技術細節。李濤還補充道：“相較于艾里波束的實現，更重要的是我們發明了全新的調控方法，它不僅能夠實現表面等離激元艾里波束，還可以用于其他光場的調制，這其中的意義是無可比擬的。”緊隨其后，李濤研究組又做出了等離激元聚焦、波分復用、準直波束、空間艾里光束等研究。近年來，他們還以此發展出近場全息技術，得到了領域內的廣泛關注。

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、俄羅斯莫斯科州立大學、美國加州大學伯克利分校、香港浸會大學、澳大利亞國立大學等學校進行訪問交流，每次交流對于李濤來說都是一次寶貴的體驗，在增長科研經驗的同時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，李濤領導的科研小組一直專注于表面等離激元光學、人工超構材料的研究，取得了一系列優秀的科研成果，多篇論文發表在《自然—通訊》《物理評論快報》《納米快報》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界面的電磁模式，具有亞波長傳播和局域場增強的特性，因而受到人們的青睞，是微納尺度下進行光子操縱和集成的優良載體，在高靈敏生物檢測、傳感和新型光源等領域獲得了廣泛重視。因而，對其基本物理性質的研究具有重要的意義。

基于在該方向的研究積累，李濤先后承擔科技部國家重點研發計劃項目課題，獲得國家自然科學優秀青年基金，以及多項基金委面上項目的支持。通過這些研究，李濤等對表面等離激元這一獨特的表面波的傳播及衍射性質、與空間光束的轉換調控、雜化波導中的模式調控、等離激元量子效應等進行了深入系統的研究和闡述，挖掘了表面等離激元在光子集成、信息復用、量子調控等領域的應用，取得了一系列創新性突破，為今后開發新型的納米光子學器件提供理論指導和技術基礎。

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展。成功通過傳播的表面等離激元與空間的全息目標光場干涉，獲得可實現多個成像目標復用的全息圖，并可通過不同傳播方向的等離激元波激發將其讀出重構出來。該方法突破了傳統偏振復用全息僅有的兩個正交態的限制，獲得了四重無串擾的全息圖樣。雖然這一工作以全息成像作為演示結果，但其更重要的意義在于將表面等離激元面內傳播與空間多維光場調控結合了起來，實現了倏逝波的信息與空間光場信息進行有效轉換。這一全新的光場調控思路將為微納尺度下的光子技術開拓了新的方案和研究平臺。

“未來，我們還想將這種設計原理做進一步的推廣，用介質的波導來做一個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展新型的虛擬現實（VR）技術”李濤說。

超構表面研究的新突破

自從事負折射材料研究以來，李濤一直關注和堅持超構材料領域的研究。近年來在超構表面這一前沿方向，他們也取得了重要的創新性突破。

超構表面是通過一薄層平板（普通白紙的千分之一厚度）對光場進行任意操控，實現如聚焦透鏡、全息片、偏振片等功能的光學設計。在之前的研究中，科學家已經展示了利用平板超構透鏡達到媲美傳統光學顯微鏡的成像效果。不過，此類新原理設計真正走向應用還面臨幾項重要挑戰，如何實現器件的寬帶消色差就是其中之一。針對這一問題，李濤研究組聯合臺灣中央研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構表面器件上取得重要進展，他們提出了集成共振的方案并與幾何相位結合，成功設計并演示了當前國際上最寬工作帶寬（480納米）的反射性超構透鏡消色差聚焦，達到了國際領先水平，在超構表面器件的實用化上邁出了重要一步。

成果出來之后，哈佛大學物理學家費德里科·卡帕索親自給李濤發郵件，希望能對其中的實驗細節進行交流，還有一些公司也與李濤研究組進行了接洽，希望他們基于自己的研究成果，發展新的光學技術，使其更好地應用于現實生活。現如今，李濤研究團隊也正在朝著這一方向努力著。

悉心育人 好成果要靠好團隊

“人們在看待科學研究時，主要是通過其在外展示的科研成果。但是，就像企業一樣，如果真正要做出具有國際競爭力的好產品，它需要的是整個團隊的力量。”李濤說。

多年來，身處祝世寧院士所領導的團隊當中，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，但是祝院士總會盡力抽出時間，參加團隊組會，悉心指導學生們的科研工作。他經常組織年輕教師“頭腦風暴”，圍繞國際科學前沿、國家重大需求開展研討，通過思想碰撞理清科研思路、凝練科學問題、明確研究方向，使得整個團隊一直充滿活力和創造力！多年來，置身這一融洽的科研氛圍中進行科研工作，李濤感覺非常幸福。

現如今，李濤也擔任著本科教學和指導研究生的工作，對于高校的科研人才培養他也有屬于自己的見解。在本科階段，許多學校都會給予學生創新人才計劃等支持，李濤希望學校所實施的這些計劃不要流于形式，而學生也應該擺正心態，重視通過科研訓練來促進自己的課程學習。對于研究生來說，李濤會給予學生一定的開放空間，讓他們去了解調研，找到自己感興趣以及合適的研究方向。然后，李濤再對他們進行因材施教，在科研甚至生活方面給予他們認真的指導與幫助。科研之余，李濤會利用有限的時間組織同學們進行登山、打球等活動，在鍛煉身體的同時促進了組內交流和文化建設。多年來，在李濤的指導下，他的學生獲得了王大珩光學獎、國家獎學金等眾多獎項，學生的博士論文入選國際學術出版社Springer的優秀論文、全國光學優秀博士論文提名等，這些都是對他培育學生付出的最大肯定。

展望 光學技術面臨變革

目前，李濤還在進行著國家自然科學面上基金項目“基于倏逝波輻射的多維光場調控及應用研究”以及國家重點研發計劃（納米專項）“納米像元芯片的顯微成像原理和實現”的研究工作。李濤認為，經過近二十多年微納光學的蓬勃發展，涌現出了很多新的物理思想和設計原理，這為相關工程技術的開發奠定了基礎。比如：超小型高靈敏光子芯片，高效光能轉換器件，超薄的成像和顯示器件，甚至新穎的光學隱身器件。未來，他表示在進一步探索新原理的同時會努力將現有的成果推向應用，真正促進當前的光學技術的發展乃至變革。

“我們所研究的新原理將顛覆現有的光學技術，讓我們拭目以待！”說到對微納光學的展望，李濤非常興奮！

科研無涯，作為微納光學領域的探路人，李濤還會堅持求索下去！