Light人物|专访Thomas G. Brown教授

| 编者按 |

提起罗切斯特大学，您最先想到的是什么？作为美国三大光学中心之一，它在美国第一个开设光学教育课程，诺贝尔奖得主Gérard Mourou和Donna Strickland在此完成了他们的重要工作。今天我们要向大家介绍的就是罗切斯特大学著名的光学研究所现任所长Thomas G. Brown。

Brown教授有很多科研成就，包括提出了“圆柱矢量光束”这一术语来描述独特和非常规的偏振态。他在科研和产业发展方面也有着非常丰富的经验。他既是科研人员和年轻学生的导师，也是备受尊敬的学术期刊主编。

接下来，请跟随“Light人物”，一起走进百年罗切斯特大学光学研究所，洞悉Thomas G. Brown对其未来的发展愿景，探寻他丰富多彩的人生轨迹，相信一定会给您带来新的灵感与启发。

Thomas G. Brown自1987年7月起就职于罗切斯特大学光学研究所，2008年担任正教授，目前是光学研究所的主任和Mercer Brugler杰出教学教授。Brown教授是美国光学学会和国际光学工程学会的会士，《现代光学期刊》主编，并担任多维显微镜年会（西部光电展）主席。他是罗伯特·霍普金斯光学设计与工程中心的创始主任，也是光学研究所光学工程课程的缔造者，美国光学学会百年项目的联合主席，美国光学学会罗切斯特地方分会的前主席和荣誉会员。
1978年，Brown教授在GTE实验室担任光纤系统设计师，由此开启了他在光学和光电子学方面的研究工作。他曾与高通、IBM、康宁公司、ABB肯特泰勒公司、Amp、罗克韦尔国际公司、罗切斯特燃气和电力公司、艾默生电气公司，以及多家律师事务所和光学研究所的诸多工业协会开展咨询和技术合作。
Brown教授经常在光学系统、光子学和基于光技术的制造应用领域也包括光子学在内的新兴领域方面提供专家咨询服务。

采访嘉宾：Thomas G. Brown（美国罗切斯特大学）

采访人：王卉

翻译：于存、姚东

原文信息：Wang, H. Light People: Professor Thomas G. Brown. Light Sci Appl 11, 303(2022)

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00997-0

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Q：您能否简单介绍一下您目前的研究工作和最新的进展？

A：我目前的研究方向有三个领域：1）应力工程光学（SEOs）以及它们如何用于显微镜、偏振测量和轨道角动量（OAM）光束的研究；2）光子集成电路的计量，特别是测量硅或氮化硅波导内的原位极化状态；3）反射全息图在自由曲面光学计量中的应用。

图1：通过圆形偏光器观察的受应力光学图像。明亮的环对应于光涡旋。
图源：Ashan Ariyawansa

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Q：您和您的同事介绍了全庞加莱光束的概念，这是一种全相关光束包含了所有可能的偏振状态，您在分析径向和方位角偏振光束的紧密聚焦特性时创造了术语“圆柱矢量光束”。这是一项重大成就，您能向我们简要介绍一下吗？目前这项技术的研究进展如何？它是如何被使用的？

A：2020年，我们选择了术语“圆柱矢量光束”来区分径向（辐条状）和角向（切向）偏振光束，这两种矢量光束都具有沿光轴旋转对称性。我们开始研究这些光束的聚焦特性，与马克斯·普朗克研究所的Leuchs教授及其团队研究的内容不期而遇。很快两个小组都发现，在紧聚焦条件下，这些光束具有显著的特性。与Lukas Novotny（当时在罗切斯特大学任教）一起，我们证明了这些光场可以在单分子荧光测量中识别分子方向。我们引入了应力工程光学（SEO）作为一种在难以获得液晶光学元件或者其不可用的情况下产生不同偏振光束的方法。与此同时我们与Miguel Alonso教授一起发现了全庞加莱光束具有有趣的物理和数学特性。应力工程光学的使用还揭示了执行单次斯托克斯偏振测量的新方法。

图2：AIM Photonics公司制作的光子集成电路的短波红外(SWIR)图像，这是Brown教授研究的一部分内容

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Q：罗切斯特大学光学所不仅是美国第一个专门致力于光学研究和教学的教育项目，目前也是美国三大光学研究中心之一。作为如此著名的光学所负责人，您能否与我们回顾一下历史，讲述一下为什么罗切斯特能够作为美国第一个光学研究所的发源地？与亚利桑那大学光学科学学院和中佛罗里达大学光学与光子学学院相比，您认为罗切斯特大学独特的魅力和特点是什么？此外，您能否介绍一下光学所未来的发展计划？

A：罗切斯特大学光学所是美国最初致力于光学研究的学术项目和研究机构，它成立于1929年，是为了满足美国本土培训光学科学家和工程师的国家需求。令我们感到自豪的是，该研究所的毕业生在图森建立光学科学中心上发挥了重要作用。该中心后来更名为詹姆斯·万特（James C Wyant）光学科学学院。我们独特的吸引力包括：尽管是一个相对较小的教育中心，却能够连接巨大的光学科学和工业活动网络。因此，学生们可以很好地了解彼此和教授们，同时他们也能在我们更大的网络中与其他人建立联系。该网络包括物理、化学和电子/计算机工程等其他学科部分、研发中心（例如激光能量学实验室和视觉科学中心）的光学研究人员以及我们工业协会计划的成员。我们的发展计划包括扩大核心师资队伍、扩大工业联合项目，以及我们跨学科光学硕士教育（HOME）计划的持续创新。

图3：从Goergen大厅方向看罗切斯特大学光学所夜景

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Q：您是罗伯特·霍普金斯光学设计与工程中心的创始主任，您能简要介绍一下该中心吗？您如何看待中心目前的发展？未来您对它有什么期待？

A：霍普金斯中心是由光学工程师和企业家John Bruning慷慨捐赠建立的，以此纪念光学研究所前任所长罗伯特·霍普金斯博士。该中心的使命是将现代设计、制造和测试工具引入本科和硕士教育。之前由Bentley教授和Kruschwitz教授所执教的镜片设计和镀膜设计课程最具独特性、也是世界最优秀的课程之一，现在该中心由Jannick Rolland教授领导，她是自由曲面光学领域的先驱，并在罗切斯特大学和北卡罗莱纳大学夏洛特分校建立了自由曲面光学中心。

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Q：诺贝尔物理学奖获得者Gérard Mourou与Donna Strickland都曾在罗切斯特大学学习或工作过，很多光学翘楚也都从该校毕业，您觉得罗切斯特大学为他们提供了哪些条件使其能够获得成功？

A：Donna Strickland获得诺贝尔奖的工作是她在罗切斯特大学读博期间完成的，当时她在激光能量学实验室的Gérard Mourou研究小组工作。这项工作在很大程度上结合了Gérard Mourou和Donna Strickland的精力、创造力和辛勤工作，以及他们对经典光学、光学工程和物理光学的透彻理解。

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Q：您是《现代光学期刊》的主编，您认为负责一本杂志的优势和挑战各是什么？

A：优势是可以广泛地接触到世界各地科研工作者所从事的研究工作。《现代光学期刊》是一本国际化期刊，我们会收到全世界各个国家从事光学研究者的投稿。挑战就是对于有如此多的以英语为第二语言的贡献者（作者和审稿人）如何保持高写作标准。

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Q：您发表了95篇学术论文，出版了3本书籍，编辑了4卷光学百科全书。您有一篇论文在《光学快报》25周年发表的前10篇被引次数最多的论文榜中排名第6，作为一名期刊编辑和一名成功的论文写作者，您在论文写作方面对年轻科学家有什么建议？

A：我的建议是寻找尚未被证实的原创想法，避免纯粹地追求在高影响力期刊上发表作品。我们关于圆柱矢量光束方面的工作在《光学快报》尚未具有高影响因子前就已发表。Strickland和Mourou的工作也发表在有着良好声誉但不过分强调引用次数的期刊上。无论在哪发表，只要文章够好，都会被阅读和欣赏的。

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Q：您曾担任多维显微镜年会（西部光电展）主席，您能够给科研人员一些关于如何做好学术报告的建议吗？

A：首先一定要花时间向你的听众解释为什么这个话题对你或者对他来说很有趣。你可以在展示幻灯片时说：这很重要（或有趣），因为......，因为如果它不重要或者无趣，可能你就不会将它列进去。

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Q：您积极参与众多国际学术组织，如：美国光学学会、国际光学工程学会、材料研究学会、美国物理学会。您认为参与这些组织收获有哪些？

A：我的大部分工作都是与美国光学学会和国际光学工程学会相关，这两个学会在建立专业关系网络和培养学生方面都是非常杰出的组织。他们有能力将从事光学领域不同子方向的科学家和工程师组织到一起，如果离开这两个学会他们可能永远不会聚首。材料研究学会和美国物理学会在我的职业生涯早期也起了非常重要的作用。

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Q：您与高通、IBM、康宁公司、ABB Kent-Taylor、Amp等公司以及几家律师事务所和许多光学研究所的工业协会都有技术合作。您认为科研和产业化两者是什么关系？

A：我认为如何解决市场中的难题对于科研人员来说非常重要。解决前沿科学问题可以发表高质量文章，但是对高品质的商业和医疗技术贡献最大的往往是那些极其简单和巧妙的解决方案。

图4：Brown教授率领罗切斯特代表团前往华盛顿特区，参加光子学产业峰会

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Q：作为一名导师，您培养了很多学生。您最希望学生具备什么能力？

A：学生最重要的品质是勤奋努力和愿意去学习除了其职业生涯下一步所必需以外的知识。20年前学的知识可能会在未来的工作中发挥重要的作用。

图5：在Brown教授的光学入门课上，一个学生正在欣赏光学镜片

图6：Brown教授在教室

图7：Brown教授在上课

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Q：您能和我们分享一些您职业生涯中令人难忘的困难时刻或挑战吗？您是如何克服它们的？

A：我做了一些科学研究是因为它们很有趣，但当时似乎很多人对此并不感兴趣。例如：我在写博士论文时一直在寻找用晶体硅制造高效发光发射器的方法。这是Dennis Hall教授所负责的一个大团队的研究内容，Dennis Hall教授相信在硅内部或者表面上集成波导和器件（类似于微电子学）是非常合理的，这也许是集成光学/光电子/电子学的未来发展方向。当时，除了罗切斯特大学外，很多人不认同这个观点，所以这并不是一个热门的项目资助课题。在过去20年里，硅光子学非常受欢迎，吸引了来自世界范围内数十亿美元的研究资助，政府和商业组织也成功地建立了工厂。三十多年后，晶体硅的高效光发射仍然是一个非常具有挑战且很大程度上尚未解决的问题，但从整体上看，硅光子学的未来发展的确很有前景。

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Q：您为什么会选择光学作为您的研究课题？如果没有成为一名科学家，您想从事什么职业？

A：我最初对数学感兴趣是在本科阶段，但后来转向了物理，这既是源于学校的高质量指导和建议，也是因为我喜欢关于数学的有趣应用。在我读本科期间，我的一位物理教授花了一个学期在贝尔实验室，研究新兴的光纤领域。他回来后，教授我们梯度折射率光纤，这令我非常着迷。后来我被GTE实验室（马萨诸塞州沃尔瑟姆）选入参加一个暑期研究项目，这个研究小组致力于设计第一个实时交通光纤通信系统。后来我在这个小组全职工作，并意识到我想在光学领域发展自己的事业。这么多年过去了，我很难想象除了光学以外还有什么吸引着我，但是我想如果换个方向我也可能选择去从事物理或者数学方面的研究。

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Q：您职业生涯中最大的转折点是什么？

A：有几个这样的转折点。我记得，有一次当我在匹兹堡机场转机时，我在一张废纸上草拟了一个方案，这个方案就是后来把普通的线偏振激光束变成径向偏振或切向偏振的方法。我们能够把它整合到共聚焦显微镜中。那是我进入偏振领域的起点，这是一段美妙的经历。另一个是我重新进入硅光子学领域，领导AIM光子学的测试、组装和封装工作，这个决定向我打开了多扇通往奇妙领域的大门，让我能够与世界各地的优秀科研工作者一起工作。

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Q：在您的职业生涯中，谁对您产生过重大影响？是以何种方式？

A：我的导师，同时也是研究所前任所长Dennis Hall可能对我的影响最大，他是我学术上的榜样，他耐心地培养我成为一名教师和研究者。

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Q：您是如何平衡工作和家庭生活的？

A：在我做教授的早期，我的孩子还小，每年我只参加几次会议。我把和妻子共进晚餐以及与孩子们的老师交流作为首要任务。我和妻子在家教了几年孩子，我负责教孩子们数学和科学知识。

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Q：您的兴趣爱好是什么？

A：我非常喜欢独木舟和飞鱼，喜欢户外活动，尤其是在缅因州。

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Q：对年轻的科研工作者您有什么建议或忠告？

A：努力工作，保持耐心，尽可能多地向老一辈学习。我们以前辈为榜样，在个人能力和科研上不断取得进步。

| Light科学编辑 |

王卉，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）国际合作处副处长，主要从事国际交流，科学传播，国际人才合作等工作；曾任长春光机所与自然出版集团合作期刊 Light: Science & Applications的创刊英文编辑，在《编辑学报》、《国际人才交流》、 Light: Science & Applications等期刊发表文章20余篇，并应SPIE邀请在SPIE Women in Optics发表文章。她是Rose in Science活动发起人，也是iCANX Story（大师故事）栏目的共同发起人兼主播，曾采访多位国际知名科学家，如诺贝尔物理学奖获得者Donna Strickland、诺贝尔化学奖获得者Jean-Marie Lehn，德国物理学会第一任女主席Johanna Stachel，IEEE光子学协会主席Carmen Menoni，澳大利亚科学院院士Chennupati Jagadish，英国皇家工程院院士李琳，埃尼奖首位华人获奖者王中林院士等。

| 翻译 |

于存，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）国际合作处职员，主要负责中白国际创新中心外联、俄乌白国际合作与交流等工作；在《国际人才交流》、 Light: Science & Applications杂志上发表多篇文章；中科院科技翻译工作者协会会员。

姚东，博士研究生学历，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员，硕士研究生导师。本科及硕士毕业于北京航空航天大学，博士毕业于中国科学院大学。主要从事航空多维度目标特性精确遥感研究，实现光谱视频遥感技术和偏振超分辨技术的关键技术攻关，并开展遥感目标特性解译方法研究；同时在高精密三维形貌测量领域探索新方法和新技术。迄今发表论文7篇，获得授权专利10项；主持国家级和省部级科研项目7项。目前担任 Applied Optics期刊审稿人，中国光学工程学会高级会员。

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