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创新跨越 追赶纳米光子学的前沿

—— 专访中科院物理研究所研究员、博士生导师李志远教授

导读: 光学是一门古老的学科,对光的本性的探索和认识,从牛顿时代到爱因斯坦时代一直是推动物理学和自然科学进步的第一推动力。牛顿对太阳光颜色的棱镜实验揭开了物理探索的序幕。

  同时,李志远领导的研究团队也在不断向纳米光学实验制造和工业运用靠近。在科研实践中,他深深体会到必须理论和实验紧密结合,才能实现基础和应用领域的科研突破和创新跨越。为此,研究团队致力于开发和发展基于麦克斯韦方程组的理论方法和数值计算技术,拥有了包括平面波展开方法,转移矩阵方法,时域有限差分方法,解析模式展开方法,多重散射方法,离散偶极子近似方法,K K R方法,米氏散射理论,自恰积分方程理论等在内的多种数值计算程序包。这些理论工具使得课题组能够对光子晶体等微纳结构光子材料和器件的各种重要的光学特性作系统性的多角度的分析、探索和设计。此外,他还意识到没有高质量的实验样品和高灵敏度的测量技术就没有世界一流的研究成果,所以一直坚持将发展实验设备和技术放在基础性的重要位置,并取得了良好的效果。在理论优化设计的基础上,在坚持做有原始创新性的研究课题的方针指引下,李志远领导的研究团队开展了在光子晶体集成器件,表面等离子体光学电磁场增强和高灵敏度信号检测,非线性光子晶体光开关和频率转换,光镊技术和生物物理交叉等多方面的理论和实验研究,并不断取得进展。

  通讯波段二维光子晶体薄膜和功能元件的实验制作、光学表征、理论分析和数值模拟,有可能为更大容量,更快速度的信息处理提供基础,目前研究团队已经大量制作和试验了各种通讯波段硅基二维光子晶体桥式结构和功能元件,最近在芯片式光子二极管和光隔离器的开发上取得了突破性进展。研究团队针对我国大力发展全固态量子调控和量子信息技术的有利时机,致力于开发物理器件,最近在高品质因子、低模体积的光子晶体共振微腔的实验制备上获得突破性进展,微腔的品质因子将近100000,模场体积远小于一个波长的立方,性能指标为国内最好水平,为国内学术界在该领域追赶世界前沿创造了必要的基础条件。课题组和国内外多个有影响力的实验研究团队长期开展紧密的合作,系统性地设计和合成了具有复杂几何形状和拓扑结构的金属纳米颗粒,开发它们在表面等离子共振,表面增强拉曼效应,光学相干层析术,传统的化学及生物传感器,以及医疗健康等高新技术上的应用。课题组拥有国内最早发展起来的光镊技术,涵盖了单光镊,双光镊和多光镊实验系统。该技术能够精确测量纳米量级的位移和皮牛量级的相互作用力,是定量研究蛋白质分子、RNA分子和D N A分子等生物大分子微观作用及生理功能的有力武器。该研究课题充分体现了不同学科之间的交叉带来的益处,也体现了光学作为一门具有强烈应用导向的学科,其生命力在于与其他自然科学和工程科学的不断交叉和融合。

  为了培育科研队伍,李志远教授在学生培养上十分用心。尽管事务繁忙,他仍坚持每周至少有三天时间与学生见面,了解实验进展,解决学生遇到的问题和困难,他说与学生讨论的过程是一个教学相长的愉快之旅。作为一个做理论研究出身的学者,李志远教授经常深入实验室科研第一线,与学生们讨论实验原材料的选择和标定,实验设备的使用与改进,实验技术的开发与创新,以及实验方法的试验与优化。 通过这样的实践,李志远对实验研究的各个环节有了清晰的理解。结合自己在理论研究形成的逻辑推理素养,以及对课题组总体研究有宏观细致把握的优势,李教授经常能够为课题组在各方面做实验研究的学生们提供非常有参考价值的思路和方案。这种理论和实验紧密结合的良好氛围,也熏陶了课题组每一位有抱负的年轻学生,启发他们开动脑筋,深入广泛地思考科学问题,培养扎实的创新能力。李教授认为,一个优秀的科研工作者需要兼具聪明的头脑和勤奋的态度,同时还需要敏锐的洞察力,如果能有这样的人才可以得而教之,那真是人生一大幸事。

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