張勇：在光學前沿離創新更進一步

武光磊

張勇

什么是光？幾千年來，人類對光本質的認識經歷了漫長的歲月。從粒子說到波動說、微粒說再到量子說、波粒二象性，盡管時至今日，人們仍然沒有完全揭開光的神秘面紗，但在探索大自然這一最偉大的饋贈過程中，人們已經收獲了無盡的寶貴知識，同時推動了科技與經濟社會的發展。光的存在激發了人類最初對未知世界的向往，無論是光的吸收、反射、折射還是衍射、干涉，由光的特性帶來的每一種神奇現象都讓人類產生了無限探索的熱情，支撐人們在黑夜中不斷摸索，直到破開謎題，迎來黎明那一刻。

近一百年來，隨著探測技術的進步及光學儀器的發展，人們對光的研究得以更加深入和微觀，并且已經不滿足探清光的特性，而是更進一步利用光學效應及特殊材料的特質去改變光的頻率，以獲得人們需要的“光”。非線性光學就是這樣一個神奇的領域。

“光與非線性晶體相互作用是實現光波頻率轉換的主要方式之一，我們的研究領域簡單理解就是通過調制材料的非線性系數來實現調控光的可能。”南京大學現代工程與應用科學學院張勇教授說道。

材料與物理的碰撞

生活中，一些千奇百怪的有趣現象，總會讓人不禁感嘆大自然造物主的神奇。有的物體被光照射后會反射出五顏六色的光芒，有的會出現重影，還有的會改變光前進的路線……

“大部分物理現象其實都跟材料本身的特性相關，比如是氣體還是液體材料。”張勇表示，非線性光學也是一種物質與光接觸后產生的特殊光學現象。

從字面意義也能看出，非線性光學是相對傳統的線性光學衍生的概念。線性光學最大的特點就是不改變光的頻率、不與介質發生能量交換，而非線性光學則與之相反。在激光問世之前，人們并不知道還有非線性光學現象的存在，但這并不代表沒有。非線性光學沒有被觀察到只是因為非常弱，直到半個多世紀前激光器的發明，在強激光的作用下才讓人們真正觀察到了非線性光學現象。

猶如一個新大陸的發現，非線性光學同樣打開了一個新世界的大門——光的頻率被改變意味著，以往超出人類肉眼可見的光，現在也能利用技術手段被眼睛直接觀察到。

某些綠色激光筆運用和頻效應，把看不見的紅外光轉成了可見的綠光；運用雙光子吸收效應制作的雙光子熒光顯微鏡，可以對人體癌細胞的結構、生長與抑制規律進行光譜學研究；運用光學參量放大效應發展而來的光學參量啁啾脈沖放大技術，可以用來研究激光受控核聚變，為人類用上更加環保清潔的聚變能努力……這些年來，利用非線性光學效應，越來越多的技術應用在各個領域中，給人類帶來了新的天地。但哪些材料在強激光的照射下會產生非線性光學效應呢？

“具有高非線性光學系數的自然材料其實不多且有較嚴格的應用條件，而通過引入人工微結構可以有效解決這一問題。”張勇介紹，這種能夠提升非線性光學效應的微結構材料被稱為非線性光子晶體，也叫光學超晶格。目前發現的光學超晶格材料有鈮酸鋰（LiN b O3）、鉭酸鋰(LiTaO3)、磷酸二氫鉀（KDP）、石英等。其中，鈮酸鋰晶體因其優異的非線性光學特性成為制備光學超晶格最常用的材料之一，同時也成為張勇十幾年來主要的研究方向。

“我從本科到博士再到工作，一直專注材料物理學。我覺得前沿的材料體系和物理現象的交叉融合，實際上是最容易出現新型知識點和創新點的地方。”張勇說道。而從非線性光學這20年的發展來看，顯然他“當時的選擇并沒有錯”。

南京大學是國內外最早從事光學超晶格研究的機構之一，在材料制備、樣品表征以及在激光變頻、量子信息中的應用等方面也起到了重要的引領作用。從小就對特殊物理現象非常感興趣的張勇，1998年高考后直接選擇了南京大學材料物理學專業就讀，并且從本科到博士一直沒有離開。

讀博期間，他在導師祝世寧教授的指導下開展了多個非線性光學重要研究課題，相關博士論文還獲得了2008年全國優秀博士論文提名和南京市自然科學論文一等獎。博士畢業后，他仍然專注在非線性光學領域研究。2010年，在美國阿肯色大學肖敏教授課題組從事博士后研究工作兩年后，張勇又回到了南京大學現代工程與應用科學學院任教，與團隊一起投身于非線性光學研究前沿。

2010年，張勇獲得了國家自然科學基金青年科學基金項目資助，主持承擔的項目“鉭酸鋰光學超晶格中一些非線性光學切倫科夫效應研究”即為博士時期研究課題的進一步拓展與延續。

“這個項目最大的特點就是將傳統的物理領域的切倫科夫輻射概念拓展到了非線性光學，并從理論和實驗上研究了光學超晶格結構對非線性切倫科夫輻射的調制作用，實現了一般情況下原本不可能實現的效應。”張勇介紹。

該項目主要從理論和實驗上利用光學超晶格鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體這一體系，研究了倍頻、和頻、三倍頻和差頻過程中的非線性切倫科夫輻射，與光散射過程相關的非線性切侖科夫輻射，塊體材料和波導材料中的非線性切侖科夫輻射等。通過優化超晶格結構設計，張勇帶領團隊提高了非線性切倫科夫輻射效率，并從理論和實驗上研究了光學超晶格結構對非線性切倫科夫輻射的調制作用，打破了相速度限制條件，實現了在一般鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體材料中原本不可能實現的效應，為以后研究非線性切倫科夫輻射在探測、成像等方面的應用打下了良好的基礎。

2012年與2013年，張勇也先后因該研究受邀參加光學和光電子學領域頂級會議CLEO會議、OSA年會Fio/LS并作報告，引起了同行廣泛關注。同時，基于這一課題研究成果，張勇研究團隊也成功發展起來一套切倫科夫倍頻顯微成像系統，是目前非線性結構無損表征的主要技術之一。在非線性光學領域，南京大學研究者走出了一條自己的追光之路。

光學超晶格領跑全球

前面說到，激光的發明，引導了很多新的學科發展，其中最重要的學科之一就是非線性光學。1960年，紅寶石激光器首先被發現后，人們立即想到非線性光學現象可能被觀察到。1961年，密歇根大學Franken等人用紅寶石激光照射石英晶體，然后用棱鏡光譜儀去分析投射的光，發現在光譜上除了基頻信號外還有一個很弱的二倍頻的斑點，首次證實了二倍頻的產生。獲悉Franken等人的實驗結果后，1962年，哈佛大學Bloembergen等人立即對一些基本的非線性光學問題做出了嚴格的理論分析，并提出了著名的準相位匹配（QPM）原理：通過周期排布二階非線性系數，可提供額外的倒格矢補償參量波之間的波矢失配，使得非線性相互作用中的波矢量守恒。基于非線性光學領域的特殊貢獻，Bloembergen也于1980年獲得了諾貝爾物理學獎。

在2018年中國光學十大進展頒獎會上與吳東教授合影

“用來實現準相位匹配原理的材料就是非線性光子晶體，在該材料的研究中，南京大學研究組始終走在國際研究前沿。”張勇介紹。

早在20世紀70年代末，南京大學研究組就采用晶體生長條紋技術生長出具有周期性鐵電疇分布的鈮酸鋰晶體, 研制出一維光學超晶格（也被稱為一維非線性光子晶體），驗證了Bloembergen的準相位匹配原理，產生了重要的國際影響。20世紀90年代初，南京大學又開發出室溫電場極化技術，成為國際上最重要的周期極化鈮酸鋰晶體制備技術，開啟了其在激光變頻、量子光源等領域的廣泛應用。在一維光學超晶格取得成功的基礎上，1998年科學家又提出了二維非線性光子晶體的概念，南京大學的研究組采用室溫極化技術再次研制成功二維非線性光子晶體，并在不同類型的二維非線性光子晶體中首次觀察到了準相位匹配增強的光的彈性散射、拉曼散射、非線性切倫科夫輻射、非線性泰堡效應等一系列光學新效應，在該領域做出了許多奠基性貢獻。基于此，南京大學研究組也獲得了2006年國家自然科學獎一等獎。

Jeff Kimble教授參觀實驗室合影

“過去幾十年的科學研究成果已經展示了一維和二維非線性光子晶體在非線性和量子光學領域的巨大作用。大家都很清楚，未來的方向肯定是拓展到三維非線性光子晶體。在此基礎上，研究人員也期待著能研制出三維非線性光子晶體，從而實現在三維構象下對非線性相互作用波的完全空間調控，可以預見，新的調控維度增加必將揭示更多的新奇效應。”張勇介紹。

然而，傳統制備技術，包括晶體生長技術、室溫電場極化技術、探針極化技術、電子束極化技術等，都難以在晶體內部實現三維鐵電疇結構的排列。制備三維非線性光子晶體已經成為近20年非線性光學領域最棘手的難題之一。

2010年重回南京大學的張勇，在前輩科學家的指引下，繼續奮戰在非線性光學前沿，并向三維非線性光子晶體的制備這一困擾國際科學界20年的難題發起了沖鋒。

傳統的技術手段無法實現，他們就不斷改革創新，幾年間嘗試了數個新的方式和手段，反復實驗、驗證。對他們來說，面臨的不僅是技術上的難題，同樣也面臨著國際數個團隊在三維非線性光子晶體領域制備的競爭壓力——南京大學非線性光學研究組半個多世紀領跑的優勢，不能在新一輪競爭中丟失。

2018年2月，春節臨近，張勇及其合作研究團隊持續3年多的研究工作也到了最關鍵的節點。“那段時間印象非常深刻，因為春節學生都放假了，但我們必須抓緊推進實驗進度，壓力非常大。”張勇回憶道。為了盡快取得突破，春節期間他們的實驗也沒有停下來，他帶著家住南京的兩個學生就在空蕩蕩的校園實驗室里反復進行數據測量。“這個工作我們花了幾年的時間心血，最后關頭更不能松懈。”

冥冥中自有天意，張勇團隊的努力終于迎來了黎明的曙光。就在春節前兩天，他們的研究終于取得了最關鍵的數據，并成功制備出了三維非線性光子晶體！“這么多年的經歷，我最大的感悟還是要堅持。即使面臨再大的困難或壓力，只要你認為自己的科研項目方向是正確的，堅持下去一定會取得成功。”張勇感嘆道。在這項工作中，他們創新性地提出了一種利用飛秒激光選擇性地擦除晶體內部的非線性光學系數的新方案，在原理上獨辟蹊徑，不再拘泥于傳統技術改變非線性系數的符號，轉而調制非線性系數的振幅，成功制備出了三維非線性光子晶體。這一成果作為封面文章發表在NaturePhotonics上面，也入選了2018年中國光學十大進展（基礎研究類），并入圍2018年中國科技十大進展的30項候選成果。

三維非線性光子晶體的研制成功為三維空間光場調控研究提供了一種新材料, 也為三維微納光子器件的發展提供了新支撐。實際上，三維非線性光子晶體中調制的不僅有二階非線性光學系數，由于鐵電晶體中壓電系數、電光系數、熱電系數等所有奇數階物性張量都是隨著電疇調制的，因而這些系數也形成了三維空間分布。可以預見，更多新的光、聲及其耦合效應將會從這種新材料中被陸續揭示出來。在同期Nature Photonics發表的News & Views中，特拉維夫大學Ellenbogen等人就對張勇團隊制備出的三維非線性光子晶體在非線性全息成像、高維量子糾纏、太赫茲產生、非線性編碼、全光控制等領域的應用前景進行了展望。

2019年，他們又首次將三維非線性光子晶體應用于高效非線性光束整形，使產生的二次諧波光束的轉換效率相較于傳統的二維非線性光束整形提升了兩個數量級。該成果為三維非線性光子晶體在光通訊、超分辨成像、高維糾纏源等領域的應用奠定了基礎。相關工作發表在Nature Communications上。

值得一提的是，三維非線性全息成像和光束整形，是三維非線性光子晶體最重要的應用之一，要保證質量，必須高精度地加工復雜三維非線性光學結構，目前國際上已經有不少有競爭力的研究組加入到這個領域的研究中，張勇團隊也在積極開發下一代非線性光子晶體加工技術。非線性光學新一輪賽道上，他們仍然走在國際前列。

下一個十年，整裝待發

在非線性光學半個多世紀的發展歷程中，南京大學研究團隊占據了其中濃墨重彩的一頁。也正是了解到這一背景，1998年考大學時，從小喜歡研究物理現象的張勇毫不猶豫選擇了南京大學材料物理學專業。在他看來，非線性光學就是前沿的材料體系與物理現象碰撞交融的火花。

“南京大學材料物理學專業1994年開始招生，我們是第五屆本科生，親身經歷了其發展壯大的歷程。”正因如此，本科畢業后，盡管有許多機會可以去國外攻讀碩士與博士學位，張勇仍然選擇了留在南京大學。并且2010年在美國阿肯色大學體驗了兩年不同的研究環境、進一步拓展學術視野后，他再一次選擇了回到母校，“這里的平臺以及研究基礎是不可多得的存在”。

2010年前后，正逢南京大學現代工程與應用科學學院剛剛成立，新的學院、新的平臺，這一切對于張勇而言恰逢其時。“學院建立之初我就參與了工作，今年正好是建院十周年，我們的發展還是很快的。”張勇說道。

依托新學院嶄新的平臺以及南京大學固體微結構物理國家重點實驗室，這十年來，張勇也與學院一起趕上了快速發展的時機。面向國家在光信息、精密測量、光子芯片等方面的重大需求，他在南京大學這一特色研究領域做出了一系列創新工作：除了將鈮酸鋰非線性光子晶體研究從一維和兩維拓展到了三維，還發展了新型準相位匹配原理和微結構晶體制備方法，并發現了若干種新型非線性光學效應及應用。例如，實驗實現了一種無透鏡非線性成像技術——非線性Talbot自成像，與線性光學Talbot效應相比，非線性Talbot效應反應的是非線性晶體中非線性系數的周期性調制，同時可以實現高分辨率疇結構成像，在基礎理論與實際應用中具有研究價值。這一工作發表在Phys.Rev.Lett.上面，引起同行廣泛興趣并受邀在Adv. Opt.Photon.發表綜述（ESI高被引論文）。

課題組合影

近年來，他還將研究拓展到了非線性光場調控方面，在非線性光束整形、非線性全息、高階模式激光器等方面取得了一系列重要進展。因在光學領域的重大貢獻，2019年，張勇獲得了江蘇省青年光學科技獎。這些研究工作也獲得了國家級項目支持，先后主持了包括優秀青年基金和重大研究計劃重點支持項目在內的6項國家自然科學基金，參與國家重點研發計劃項目3項。

科研之外，十年來，張勇在人才培養方面同樣傾注了大量心血，并培養了一批優秀的碩、博士研究生。“現在的學生其實比我們那一代更有想法和個性，所以我在人才培養方面的習慣也是建立在與學生相互理解的基礎上充分挖掘他們的特點，選擇最適合他們的方向發展。我不覺得每一位學生必須成為科研人員，我只希望通過課題組這段學習經歷，他們能夠學會用科研的精神和態度去解決未來生活與工作中遇到的問題，這才是最重要的。”張勇說道。

無心插柳柳成蔭。也許正是這樣的態度激發了學生們對科研的最大熱情。目前在張勇的指導下，已畢業的博士生們大部分還在光學領域繼續鉆研，其中兩位在中山大學和華南師范大學任職的博士畢業生已先后在學術圈嶄露頭角并被評為副教授，成為非線性光學領域年輕一代新的接班人。

半個多世紀以來，國內非線性光學領域正是在這樣一代又一代科研工作者的努力下薪火相傳，源源不斷。進入這個領域至今，張勇對科研的熱情從來沒有變過，始終如一。“我喜歡探索未知的東西，將前沿的材料體系和物理現象結合研究去創造更多的科研火花，這是我從事科研最大的動力。”張勇說。