《Light》人物：专访清华大学付星副教授

原创 长光所Light中心 中国光学

记者 | 郭巳秋

编者按

今夏，《Light: Science & Applications》公布了2019年度优秀论文、优秀审稿专家、高被引论文和热门下载论文。清华大学付星的综述文章同时入选2019年度优秀论文和热门下载论文，近期，他接受了《Light》编辑郭巳秋的专访，回顾了光学涡旋发展的30年，并讨论了对于光学涡旋方向科研攻关的想法；同时，付星老师还分享了在逆水行舟不进则退的学术竞争中作为青年科学家对于科学研究的态度。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。这一期，我们很荣幸能邀请到国内顶级学府的青年科学家翘楚——付星。本期采访展现一个有理想有抱负的青年科学家的学术世界，以及作为青年科学家对于科学研究的一腔热忱。

付星 副教授

付星，清华大学精密仪器系特别研究员、副教授、博士生导师，光子测控技术教育部重点实验室副主任，MIT访问学者。入选国家“万人计划”青年拔尖人才、中国科协青年人才托举工程（领域首批）、北京市优秀人才。获教育部自然科学二等奖、瑞士Chorafas青年科学家奖（设奖21年来中国高校首位）、中国光学学会王大珩光学奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、清华大学教育教学成果一等奖、清华大学优秀博士学位论文一等奖等荣誉。担任中国光学学会光学材料专委会委员、中国激光杂志社第二届青年编委。他在《Light》、《Optica》、《IEEE TVT》等期刊发表SCI论文100余篇，入选ESI热点论文、高被引论文、期刊封面文章。主持装发十三五重点预研、国家重点研发计划子课题、国家/北京市自然科学基金面上项目等课题。主要从事全固态激光、结构光场调控、单光子探测等技术的研究。他开辟了新体制巨脉冲激光技术路线，国际上首次实现了室温50J级重频纳秒输出，单位体积输出提升数百倍，适用于高机动平台。提出了“弹流”激光器创新构型，国内率先实现了数千瓦的液流直接冷却激光输出。建立了多奇点拓扑演化理论，实现了特殊多奇点光场的表征与定制，首次产生了新型多边形涡旋光束、具有多重自由度耦合态的矢量涡旋光束。面向自动驾驶、超远程探测应用，提出了单光子智能感知策略，实现了单光子一体化激光雷达对高速运动目标的抗动态串扰测距和高精度模式识别。

深度专访

《Light》记者：付老师，您去年发表在Light上的综述文章《Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities》【】目前访问量已达1.6万，而且该篇综述也入选了近期公布的2019年度Light优秀论文，热门下载论文，我有幸是该篇稿件的managing editor，见证了稿件录用的整个过程，该篇综述文章体量巨大，文章图片众多，子图无数，需要搜集大量图片版权许可，这还仅仅是图片引用部分，相信您在准备、撰写该论文的过程中，一定还经历了更多的艰难，请问是什么样的契机让您下定决心写这样一篇耗时耗力的综述文章，并最终选择投稿给Light呢？

付星：谢谢您的问题。这篇综述文章是我们课题组与深圳大学袁小聪教授团队通力合作下构思、撰写完成的。2019年恰逢光学涡旋诞生三十周年，回顾这三十年可谓群星璀璨、成果斐然，国内外的众多学者在这一前沿、热点领域做出了标志性的工作和突出的贡献，不胜枚举，其中我们课题组也有一些具有特色的工作，特别是多奇点可调谐光场操控方面。我们尽最大努力，回顾了光学涡旋的基础理论、调控技术及应用的主要进展，对发展脉络进行了细致梳理，介绍了若干亮点工作，一方面是对于三十周年的纪念和献礼，另一方面是对未来的思考和畅想，在这个历史机遇期，期待更多同行提高对多维度综合调谐涡旋光源的重视，大踏步地拓展科学理论和应用。从我个人而言，我平时很喜欢读综述类文章，尤其是对于亟需深入了解的方向，让我在“摸着石头过河”之前，能快速地知道石头在哪儿。每一篇重要综述中作者精心筛选的上百篇文献就像一个个矢量，它们“张成”的高维空间条理分明，将奠基性成果、衍生技术及应用一一呈现，帮助我看清该方向的需求与瓶颈、发掘自己的研究兴趣点。本文投稿给Light是大家非常一致的想法。Light常年居于国际光学期刊前三甲，也是中国科技期刊卓越行动计划的“领军期刊”，享有很高的国际声誉，而且影响力还在不断提升，发表在Light上对于扩大综述的受众和关注度大有裨益。文章从投稿至发表的过程中，Light编辑部的专业和贴心让我印象非常深刻。记得第一轮审稿后收到5位审稿人的大量宝贵意见，编辑部在给出Major Revision决定的同时，还附上了近1000字的意见分析和具体解读，并提出了补充修改建议，对于提升文章质量起到了极大的助力。文章接收后，编辑部对图片格式效果、图片版权许可、文献引用顺序等进行严格要求和把控，对庞大文字体量进行严谨精准的校对，我们在一次次的版本更新和与编辑部的互动中，作品也被打磨的更加成熟和专业。综述文章发表后受到了专家学者的广泛关注和支持，乃至Light的年度荣誉肯定，让我们感到莫大的欣慰和鼓舞，在此也由衷感谢编辑部在幕后的辛勤付出。

优秀论文证书热门下载论文证书

《Light》记者：我们知道科研圈的竞争压力非常大，尤其您在清华大学这样的顶级学府，学术氛围十分浓厚，同时也代表着您身处在一个不进则退的环境中，您是如何在这样的压力下潜心用这么多精力去做一件事的，您对科学研究是怎样的态度。

付星：我觉得科学研究是一场追寻真理、获得新知的无止境的探险。好奇心、求知欲、责任感是探险者的动力来源，实事求是、踏实严谨、甘于寂寞、迎难而上、愈挫愈勇是探险者的自我修养，怀疑发问、大胆创新、理性思考、实践检验是工具包里的几种武器。同时，我们作为高校教师，还要对一同探险的学生负责，指导、陪伴他们渡过研究生阶段的修炼和磨难，让他们能够独当一面，走好自己未来的探险之路。在我眼中，清华不单是有竞争压力的环境，更是具有深厚学术底蕴、一流学术文化和学术品味的高起点舞台，通过政策鼓励青年教师脱颖而出，让每个人充分发挥展示学术的才智。感谢母校“自强不息、厚德载物”校训的熏陶和精仪系“求精”风骨的深刻影响，对于我而言，在一件事上深耕所带来的成就感远远大于风风火火、完成任务式的做完十件事，而且有意思的是，前者往往会使压力离我更远。同时，我所在的先进激光技术团队在科研攻关、项目申请、学生培养等多方面给予了我很多扶持，让我能够轻装上阵。自2006年攻读博士至今我一直在这个团结向上的集体中成长，也见证了团队的发展壮大。团队在固体激光、光纤光学、自适应光学、探测成像等方向突破了多项“卡脖子”技术，为国家重大项目和工程做出了重要贡献。2018年我们获批建设“光子测控技术”教育部重点实验室，2020年入选了国防科技创新团队。优秀的团队为我提供了坚实的后盾和广阔的发展平台。

团队部分成员合影（左一为付星，左四为团队的学术带头人柳强教授）

《Light》记者：您在光学涡旋方向科研攻关的选题上是如何考虑的？

付星：在科研选题上，我们始终聚焦于涡旋光作为“光源”的属性，发挥主动式、紧凑型、强拓展性的优势，从应用需求出发，立足于两个基本创新点：第一，在已有的调控自由度上，追求调谐的灵活性：多粒子操纵、显微成像等应用对于空间结构光源的要求，不仅限于单奇点的拓扑荷数可调谐，更重要的是多奇点轨道角动量分布的调控。沿着这一思路，我们提出了多奇点的分象限独立控制方法，建立了广义结构高斯光束族及其多奇点拓扑演化理论，实现了特殊多奇点光场的表征与定制，入选了2019年度JOSAA期刊热门下载Top20。此外，我们还利用Yb:CALGO 晶体的宽带增益特性，实现了轨道角动量和波长的大范围联合调谐，这是新型超快激光晶体在可调谐涡旋光源的首次、也是非常成功的尝试，为未来可调谐结构光源的研究提供了新思路，获得了CLEO 2018最佳张贴报告奖。第二，创造全新的调控自由度。在摸索的过程中，量子相干态结构光模式所具有的“波迹二象性”让我们着迷——利用量子相干态中概率波包与粒子经典运动轨迹相互耦合的原理，在经典结构光中构造与之类似的相干态形式的空间波包模式，从而使结构光产生“波迹二象性”。我们基于宽带频率简并谐振腔构造了特殊的“准相干态”，首次产生了新型多边形涡旋光束，并给出了基于衍射晶格图案的复杂轨道角动量探测方法；发现了涡旋晶格独特的横锁模效应，实现了晶格各奇点形态的可控转换；提出了基于广义相干态的邦加球模型，突破了本征态邦加球的维度限制而能够广义表征高维度结构光。更进一步，我们成功激发了谐振腔的混合波迹轨道叠加态，首次突破了传统矢量涡旋光的轨道角动量、自旋角动量的双自由度调控限制，产生了轨迹简并度，轨迹振动相位，轨迹组合数等全新的可操控自由度，从此光束结构可以模拟多粒子多自由度的纠缠态，使得发展高维多通道大容量的量子和经典光通信技术成为可能。该工作与南非科学院院士Andrew Forbes教授团队合作完成，入选了Optica期刊的封面文章【】。我们团队的申艺杰博士在其中做出了创造性贡献，以其出色的科研成果入选欧盟玛丽·居里学者，目前在英国南安普顿大学知名的光电子中心（ORC）继续从事结构光研究。

付星老师在做报告

《Light》记者：由于您的这篇文章我们Light也十分重视，后期邀请了新闻撰稿人为综述撰写评论，国内多个微信公众号、国外科学新闻门户网站 EurekAlert!等多家社交媒体也对这一工作进行了报道。您作为作者，请问您对这样的宣传方式满意吗，您认为这样的方式是否真实有效的对文章起到了宣传的效果，您对我们Light以后宣传方法有什么建议吗？

付星：我认为Light在文章的宣传上做的相当用心，几个小细节包括：文章发表后第一时间推荐宣传渠道，公众号推送内容将文章全文翻译万余字（这次推送还登上了中国光学学会当月的简讯）等等，这都是综述得以迅速推广的重要原因。文章在2019年10月见刊，半年之内的引用超过30次（在线发表或Arxiv预印本），目前在Google Scholar被引用74次，入选了ESI的热点论文、高被引论文。我们也陆续收到国际上多个知名团队对文章的积极反馈邮件。关于宣传方面的进一步提升，一个不成熟的想法是建议Light“占领”其他交叉领域的宣传平台进行延伸推广。

入选ESI 热点论文、高被引论文

《Light》记者：我们知道，您现在的研究方向不光有光学涡旋，还有固体激光、单光子探测，您是如何规划自身未来科研发展的？因为现在不少青年学者也具有不止一个研究方向，面对的难题是如何整合自身的资源，发挥各个研究方向的优势，同时又能不做表面功夫。

付星：这个难题没有标准答案，我也在努力求索中，在这里分享我目前的规划情况供参考。我最早的研究方向是固体激光技术，从博士阶段就开始做这个题目，面向定向能应用，研究功率提升机理及关键技术。针对强激光的热管理，提出了“弹流”创新构型，系统研究了液流致光束畸变的动力学特性，实现了数千瓦的液流直接冷却激光输出【】；针对纳秒脉冲激光的能量提升和系统紧凑化难题，提出了分布式动镜放大链的创新技术路线【】，首次实现了室温小型化的50J级纳秒巨脉冲系统。第二个研究方向就是前面介绍的涡旋光场调控技术，虽然与经典激光器相比，增加了轨道角动量的特殊属性，但光源设计理念、调试方法是一脉相承，因而算是半个“旧相识”。第三个方向是单光子探测技术，其能量水平与强激光方向是两个极端，看起来跳跃性比较大。但实际上激光的“收”和“发”密不可分。即使在发射端拥有强激光源，被远距离目标散射后，接收到的回波也可能仅为暗弱的光子级别，因而具有高灵敏度的单光子探测技术至关重要。正是这一点吸引我开展了相关研究，面向自动驾驶、以及暗弱/隐身目标的超远程探测应用，提出了单光子智能感知策略，实现了单光子一体化激光雷达对高速运动目标的抗动态串扰测距和高精度模式识别，发表于IEEE Transactions on Vehicular Technology【】。此外，非视域单光子成像的工作正在与清华丘成桐数学中心的团队合作攻关；“涡旋+单光子”的组合还有高维量子纠缠、结构光探测等激动人心的工作等待解锁。总之，我所规划的各研究方向之间具有很强的内在联系，否则自己较难驾驭。然而我认为，不管是哪一个研究方向，基本功课都要做足——与该方向的学者进行“二次元”和“三次元”的沟通。前者就是勤读文献，在纸面上碰撞出思想的火花；后者就是从面对面的交流中寻找灵感与共鸣，例如2019年我们举办了清华结构光与角动量学术论坛，与九所高校的知名学者开展了热烈讨论，同年我们还举办了重点实验室青年学术论坛，邀请了多个国防重点单位的百余人交流，受益良多。

激光产业创新发展论坛发言

《Light》记者：相信和我一样，很多读者都非常感兴趣，作为国内顶级学府的年轻博导，如何平衡繁重的科研工作和生活，您科研工作以外的放松的方式是什么。

付星：其实科研没有下班，工作的甲方和乙方常常都是自己，回到家还是会挤时间自觉上岗。放松方式就是陪女儿（今年六岁）听历史故事、读绘本、看动画片；有时和她聊聊光学，她对我的研究很感兴趣。

《Light》记者：有什么话是想对青年学者们说的，既是自勉也是对他们的鼓励。

付星：常怀好奇之心，把兴趣当职业是一种幸福。

幸福做科研的Prof. Xing Fu

参考文献

1. https://www.nature.com/articles/s41377-019-0194-2

2. https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-7-820

3. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-15-18421

4. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21981

5. https://ieeexplore.ieee.org/document/9056530

《Light》记者介绍

郭巳秋，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）员工，卓越计划领军期刊《 Light: Science & Applications》科学编辑，《Light》子刊《Light：AdvancedManufacturing》（《LAM》） 科学编辑。参与《LAM》期刊创刊，负责期刊稿件处理、排版、印刷等出版工作。具有较深厚的科研背景，曾参与多项科研项目，并作为项目分系统负责人，发表SCI、EI等多篇学术文章。

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原标题：《《Light》人物：专访清华大学付星副教授》

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