张勇：在光学前沿离创新更进一步

张勇

什么是光？几千年来，人类对光本质的认识经历了漫长的岁月。从粒子说到波动说、微粒说再到量子说、波粒二象性，尽管时至今日，人们仍然没有完全揭开光的神秘面纱，但在探索大自然这一最伟大的馈赠过程中，人们已经收获了无尽的宝贵知识，同时推动了科技与经济社会的发展。光的存在激发了人类最初对未知世界的向往，无论是光的吸收、反射、折射还是衍射、干涉，由光的特性带来的每一种神奇现象都让人类产生了无限探索的热情，支撑人们在黑夜中不断摸索，直到破开谜题，迎来黎明那一刻。

近一百年来，随着探测技术的进步及光学仪器的发展，人们对光的研究得以更加深入和微观，并且已经不满足探清光的特性，而是更进一步利用光学效应及特殊材料的特质去改变光的频率，以获得人们需要的“光”。非线性光学就是这样一个神奇的领域。

“光与非线性晶体相互作用是实现光波频率转换的主要方式之一，我们的研究领域简单理解就是通过调制材料的非线性系数来实现调控光的可能。”南京大学现代工程与应用科学学院张勇教授说道。

材料与物理的碰撞

生活中，一些千奇百怪的有趣现象，总会让人不禁感叹大自然造物主的神奇。有的物体被光照射后会反射出五颜六色的光芒，有的会出现重影，还有的会改变光前进的路线……

“大部分物理现象其实都跟材料本身的特性相关，比如是气体还是液体材料。”张勇表示，非线性光学也是一种物质与光接触后产生的特殊光学现象。

从字面意义也能看出，非线性光学是相对传统的线性光学衍生的概念。线性光学最大的特点就是不改变光的频率、不与介质发生能量交换，而非线性光学则与之相反。在激光问世之前，人们并不知道还有非线性光学现象的存在，但这并不代表没有。非线性光学没有被观察到只是因为非常弱，直到半个多世纪前激光器的发明，在强激光的作用下才让人们真正观察到了非线性光学现象。

犹如一个新大陆的发现，非线性光学同样打开了一个新世界的大门——光的频率被改变意味着，以往超出人类肉眼可见的光，现在也能利用技术手段被眼睛直接观察到。

某些绿色激光笔运用和频效应，把看不见的红外光转成了可见的绿光；运用双光子吸收效应制作的双光子荧光显微镜，可以对人体癌细胞的结构、生长与抑制规律进行光谱学研究；运用光学参量放大效应发展而来的光学参量啁啾脉冲放大技术，可以用来研究激光受控核聚变，为人类用上更加环保清洁的聚变能努力……这些年来，利用非线性光学效应，越来越多的技术应用在各个领域中，给人类带来了新的天地。但哪些材料在强激光的照射下会产生非线性光学效应呢？

“具有高非线性光学系数的自然材料其实不多且有较严格的应用条件，而通过引入人工微结构可以有效解决这一问题。”张勇介绍，这种能够提升非线性光学效应的微结构材料被称为非线性光子晶体，也叫光学超晶格。目前发现的光学超晶格材料有铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、磷酸二氢钾（KDP）、石英等。其中，铌酸锂晶体因其优异的非线性光学特性成为制备光学超晶格最常用的材料之一，同时也成为张勇十几年来主要的研究方向。

“我从本科到博士再到工作，一直专注材料物理学。我觉得前沿的材料体系和物理现象的交叉融合，实际上是最容易出现新型知识点和创新点的地方。”张勇说道。而从非线性光学这20年的发展来看，显然他“当时的选择并没有错”。

南京大学是国内外最早从事光学超晶格研究的机构之一，在材料制备、样品表征以及在激光变频、量子信息中的应用等方面也起到了重要的引领作用。从小就对特殊物理现象非常感兴趣的张勇，1998年高考后直接选择了南京大学材料物理学专业就读，并且从本科到博士一直没有离开。

读博期间，他在导师祝世宁教授的指导下开展了多个非线性光学重要研究课题，相关博士论文还获得了2008年全国优秀博士论文提名和南京市自然科学论文一等奖。博士毕业后，他仍然专注在非线性光学领域研究。2010年，在美国阿肯色大学肖敏教授课题组从事博士后研究工作两年后，张勇又回到了南京大学现代工程与应用科学学院任教，与团队一起投身于非线性光学研究前沿。

2010年，张勇获得了国家自然科学基金青年科学基金项目资助，主持承担的项目“钽酸锂光学超晶格中一些非线性光学切伦科夫效应研究”即为博士时期研究课题的进一步拓展与延续。

“这个项目最大的特点就是将传统的物理领域的切伦科夫辐射概念拓展到了非线性光学，并从理论和实验上研究了光学超晶格结构对非线性切伦科夫辐射的调制作用，实现了一般情况下原本不可能实现的效应。”张勇介绍。

该项目主要从理论和实验上利用光学超晶格钽酸锂和铌酸锂晶体这一体系，研究了倍频、和频、三倍频和差频过程中的非线性切伦科夫辐射，与光散射过程相关的非线性切仑科夫辐射，块体材料和波导材料中的非线性切仑科夫辐射等。通过优化超晶格结构设计，张勇带领团队提高了非线性切伦科夫辐射效率，并从理论和实验上研究了光学超晶格结构对非线性切伦科夫辐射的调制作用，打破了相速度限制条件，实现了在一般钽酸锂和铌酸锂晶体材料中原本不可能实现的效应，为以后研究非线性切伦科夫辐射在探测、成像等方面的应用打下了良好的基础。

2012年与2013年，张勇也先后因该研究受邀参加光学和光电子学领域顶级会议CLEO会议、OSA年会Fio/LS并作报告，引起了同行广泛关注。同时，基于这一课题研究成果，张勇研究团队也成功发展起来一套切伦科夫倍频显微成像系统，是目前非线性结构无损表征的主要技术之一。在非线性光学领域，南京大学研究者走出了一条自己的追光之路。

在2018年中国光学十大进展颁奖会上与吴东教授合影

光学超晶格领跑全球

前面说到，激光的发明，引导了很多新的学科发展，其中最重要的学科之一就是非线性光学。1960年，红宝石激光器首先被发现后，人们立即想到非线性光学现象可能被观察到。1961年，密歇根大学Franken等人用红宝石激光照射石英晶体，然后用棱镜光谱仪去分析投射的光，发现在光谱上除了基频信号外还有一个很弱的二倍频的斑点，首次证实了二倍频的产生。获悉Franken等人的实验结果后，1962年，哈佛大学Bloembergen等人立即对一些基本的非线性光学问题做出了严格的理论分析，并提出了著名的准相位匹配（QPM）原理：通过周期排布二阶非线性系数，可提供额外的倒格矢补偿参量波之间的波矢失配，使得非线性相互作用中的波矢量守恒。基于非线性光学领域的特殊贡献，Bloembergen也于1980年获得了诺贝尔物理学奖。

“用来实现准相位匹配原理的材料就是非线性光子晶体，在该材料的研究中，南京大学研究组始终走在国际研究前沿。”张勇介绍。

早在20世纪70年代末，南京大学研究组就采用晶体生长条纹技术生长出具有周期性铁电畴分布的铌酸锂晶体, 研制出一维光学超晶格（也被称为一维非线性光子晶体），验证了Bloembergen的准相位匹配原理，产生了重要的国际影响。20世纪90年代初，南京大学又开发出室温电场极化技术，成为国际上最重要的周期极化铌酸锂晶体制备技术，开启了其在激光变频、量子光源等领域的广泛应用。在一维光学超晶格取得成功的基础上，1998年科学家又提出了二维非线性光子晶体的概念，南京大学的研究组采用室温极化技术再次研制成功二维非线性光子晶体，并在不同类型的二维非线性光子晶体中首次观察到了准相位匹配增强的光的弹性散射、拉曼散射、非线性切伦科夫辐射、非线性泰堡效应等一系列光学新效应，在该领域做出了许多奠基性贡献。基于此，南京大学研究组也获得了2006年国家自然科学奖一等奖。

Jeff Kimble教授参观实验室合影

“过去几十年的科学研究成果已经展示了一维和二维非线性光子晶体在非线性和量子光学领域的巨大作用。大家都很清楚，未来的方向肯定是拓展到三维非线性光子晶体。在此基础上，研究人员也期待着能研制出三维非线性光子晶体，从而实现在三维构象下对非线性相互作用波的完全空间调控，可以预见，新的调控维度增加必将揭示更多的新奇效应。”张勇介绍。

然而，传统制备技术，包括晶体生长技术、室温电场极化技术、探针极化技术、电子束极化技术等，都难以在晶体内部实现三维铁电畴结构的排列。制备三维非线性光子晶体已经成为近20年非线性光学领域最棘手的难题之一。

2010年重回南京大学的张勇，在前辈科学家的指引下，继续奋战在非线性光学前沿，并向三维非线性光子晶体的制备这一困扰国际科学界20年的难题发起了冲锋。

传统的技术手段无法实现，他们就不断改革创新，几年间尝试了数个新的方式和手段，反复实验、验证。对他们来说，面临的不仅是技术上的难题，同样也面临着国际数个团队在三维非线性光子晶体领域制备的竞争压力——南京大学非线性光学研究组半个多世纪领跑的优势，不能在新一轮竞争中丢失。

2018年2月，春节临近，张勇及其合作研究团队持续3年多的研究工作也到了最关键的节点。“那段时间印象非常深刻，因为春节学生都放假了，但我们必须抓紧推进实验进度，压力非常大。”张勇回忆道。为了尽快取得突破，春节期间他们的实验也没有停下来，他带着家住南京的两个学生就在空荡荡的校园实验室里反复进行数据测量。“这个工作我们花了几年的时间心血，最后关头更不能松懈。”

冥冥中自有天意，张勇团队的努力终于迎来了黎明的曙光。就在春节前两天，他们的研究终于取得了最关键的数据，并成功制备出了三维非线性光子晶体！“这么多年的经历，我最大的感悟还是要坚持。即使面临再大的困难或压力，只要你认为自己的科研项目方向是正确的，坚持下去一定会取得成功。”张勇感叹道。在这项工作中，他们创新性地提出了一种利用飞秒激光选择性地擦除晶体内部的非线性光学系数的新方案，在原理上独辟蹊径，不再拘泥于传统技术改变非线性系数的符号，转而调制非线性系数的振幅，成功制备出了三维非线性光子晶体。这一成果作为封面文章发表在Nature Photonics上面，也入选了2018年中国光学十大进展（基础研究类），并入围2018年中国科技十大进展的30项候选成果。

三维非线性光子晶体的研制成功为三维空间光场调控研究提供了一种新材料, 也为三维微纳光子器件的发展提供了新支撑。实际上，三维非线性光子晶体中调制的不仅有二阶非线性光学系数，由于铁电晶体中压电系数、电光系数、热电系数等所有奇数阶物性张量都是随着电畴调制的，因而这些系数也形成了三维空间分布。可以预见，更多新的光、声及其耦合效应将会从这种新材料中被陆续揭示出来。在同期Nature Photonics发表的News & Views中，特拉维夫大学Ellenbogen等人就对张勇团队制备出的三维非线性光子晶体在非线性全息成像、高维量子纠缠、太赫兹产生、非线性编码、全光控制等领域的应用前景进行了展望。

2019年，他们又首次将三维非线性光子晶体应用于高效非线性光束整形，使产生的二次谐波光束的转换效率相较于传统的二维非线性光束整形提升了两个数量级。该成果为三维非线性光子晶体在光通讯、超分辨成像、高维纠缠源等领域的应用奠定了基础。相关工作发表在Nature Communications上。

值得一提的是，三维非线性全息成像和光束整形，是三维非线性光子晶体最重要的应用之一，要保证质量，必须高精度地加工复杂三维非线性光学结构，目前国际上已经有不少有竞争力的研究组加入到这个领域的研究中，张勇团队也在积极开发下一代非线性光子晶体加工技术。非线性光学新一轮赛道上，他们仍然走在国际前列。

课题组合影

下一个十年，整装待发

在非线性光学半个多世纪的发展历程中，南京大学研究团队占据了其中浓墨重彩的一页。也正是了解到这一背景，1998年考大学时，从小喜欢研究物理现象的张勇毫不犹豫选择了南京大学材料物理学专业。在他看来，非线性光学就是前沿的材料体系与物理现象碰撞交融的火花。

“南京大学材料物理学专业1994年开始招生，我们是第五届本科生，亲身经历了其发展壮大的历程。”正因如此，本科毕业后，尽管有许多机会可以去国外攻读硕士与博士学位，张勇仍然选择了留在南京大学。并且2010年在美国阿肯色大学体验了两年不同的研究环境、进一步拓展学术视野后，他再一次选择了回到母校，“这里的平台以及研究基础是不可多得的存在”。

2010年前后，正逢南京大学现代工程与应用科学学院刚刚成立，新的学院、新的平台，这一切对于张勇而言恰逢其时。“学院建立之初我就参与了工作，今年正好是建院十周年，我们的发展还是很快的。”张勇说道。

依托新学院崭新的平台以及南京大学固体微结构物理国家重点实验室，这十年来，张勇也与学院一起赶上了快速发展的时机。面向国家在光信息、精密测量、光子芯片等方面的重大需求，他在南京大学这一特色研究领域做出了一系列创新工作：除了将铌酸锂非线性光子晶体研究从一维和两维拓展到了三维，还发展了新型准相位匹配原理和微结构晶体制备方法，并发现了若干种新型非线性光学效应及应用。例如，实验实现了一种无透镜非线性成像技术——非线性Talbot自成像，与线性光学Talbot效应相比，非线性Talbot效应反应的是非线性晶体中非线性系数的周期性调制，同时可以实现高分辨率畴结构成像，在基础理论与实际应用中具有研究价值。这一工作发表在Phys.Rev.Lett.上面，引起同行广泛兴趣并受邀在Adv. Opt.Photon.发表综述（ESI高被引论文）。

近年来，他还将研究拓展到了非线性光场调控方面，在非线性光束整形、非线性全息、高阶模式激光器等方面取得了一系列重要进展。因在光学领域的重大贡献，2019年，张勇获得了江苏省青年光学科技奖。这些研究工作也获得了国家级项目支持，先后主持了包括优秀青年基金和重大研究计划重点支持项目在内的6项国家自然科学基金，参与国家重点研发计划项目3项。

科研之外，十年来，张勇在人才培养方面同样倾注了大量心血，并培养了一批优秀的硕、博士研究生。“现在的学生其实比我们那一代更有想法和个性，所以我在人才培养方面的习惯也是建立在与学生相互理解的基础上充分挖掘他们的特点，选择最适合他们的方向发展。我不觉得每一位学生必须成为科研人员，我只希望通过课题组这段学习经历，他们能够学会用科研的精神和态度去解决未来生活与工作中遇到的问题，这才是最重要的。”张勇说道。

无心插柳柳成荫。也许正是这样的态度激发了学生们对科研的最大热情。目前在张勇的指导下，已毕业的博士生们大部分还在光学领域继续钻研，其中两位在中山大学和华南师范大学任职的博士毕业生已先后在学术圈崭露头角并被评为副教授，成为非线性光学领域年轻一代新的接班人。

半个多世纪以来，国内非线性光学领域正是在这样一代又一代科研工作者的努力下薪火相传，源源不断。进入这个领域至今，张勇对科研的热情从来没有变过，始终如一。“我喜欢探索未知的东西，将前沿的材料体系和物理现象结合研究去创造更多的科研火花，这是我从事科研最大的动力。”张勇说。

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