從大年初四開始，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院詹其文教授團(tuán)隊(duì)的年輕教師們就“開工”了。他們正在爭分奪秒地與全球“光學(xué)發(fā)燒友”們競爭，推動最新領(lǐng)域的光學(xué)研究。“目前已經(jīng)有6篇最新的論文正在投稿中。”詹其文說。

此前，一項(xiàng)光學(xué)領(lǐng)域的全球重大進(jìn)展，在詹其文團(tuán)隊(duì)的運(yùn)作下得以實(shí)現(xiàn)。來自美國、南非、以色列等多國學(xué)者，都希望加強(qiáng)與上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)系。從這個實(shí)驗(yàn)室里誕生的“光子颶風(fēng)”新場景，就像是一把打開阿里巴巴寶庫的“密鑰”——擁有無窮的想象空間。

這是一個全新的光場，同時兼具時間和空間的流動性能。它的運(yùn)作原理，就像是“光子颶風(fēng)”，讓光子像颶風(fēng)一樣，能在一條橫軸上不斷向前移動的同時也能在時間領(lǐng)域中移動，生成了攜帶橫向光子軌道角動量的超短脈沖光學(xué)波包。這一新型光波包在光子能量快速向前傳輸?shù)耐瑫r，光子能流圍繞一個隨波包移動的橫向軸旋轉(zhuǎn)，從而形成光子“颶風(fēng)”。

這種全新的“颶風(fēng)”光場，創(chuàng)造性地將超快脈沖光領(lǐng)域和空間光場調(diào)控領(lǐng)域“合二為一”，首次從理論到實(shí)驗(yàn)展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創(chuàng)了一個全新的光子軌道角動量自由度。

“看，這就是我們制作出來的新光場。”上理工光學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，“颶風(fēng)光場”的創(chuàng)造者詹其文教授拿著一張黑色的卡片，在實(shí)驗(yàn)臺上展示眼前這個“阿里巴巴的寶庫”。實(shí)驗(yàn)桌上，擺滿了各種各樣的固定光學(xué)儀器，這些儀器相互作用后，一束光打下來，就能形成像颶風(fēng)一樣的光束。

這種光束，在光學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)家們眼中，就是“大寶貝”。他們可以在這樣一個時空交錯的新光場下，進(jìn)行各種各樣的研究，因?yàn)檫@個光場是全新的，因此基于該光場所作的疊加研究，也都是全新的。

“我一直在督促研究團(tuán)隊(duì)，要做研究得趕緊加快速度，緊迫感特別強(qiáng)烈。”中國工程院院士、光電學(xué)院院長莊松林最早感受到這種緊迫感，是在2020年2月。當(dāng)時，詹其文團(tuán)隊(duì)關(guān)于颶風(fēng)光場的研究剛剛在線刊登在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上，幾個小時后，他就收到了以色列同行的郵件，對方在表示祝賀的同時，特別關(guān)心“颶風(fēng)”光場的的具體制作過程;很快美國國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局的實(shí)驗(yàn)室也在論文基礎(chǔ)上重復(fù)出了類似的新光場并開展了進(jìn)一步的研究。彼時，新冠肺炎疫情正在全球蔓延，但詹其文的這篇論文仍在全球光學(xué)圈激起了極大的波瀾。

“大家都有類似的設(shè)備，只要知道我們的想法和原理，全世界各國的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室就都能做出颶風(fēng)光場。然后，大家就可以在這個新光場條件下做不同的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。”莊松林說，新光場的出現(xiàn)，就像是阿里巴巴的寶庫被瞬間打開。所有光學(xué)科學(xué)家都會蜂擁而至，從寶庫里找到適合自己、且容易實(shí)現(xiàn)的新實(shí)驗(yàn)、新創(chuàng)造，繼而開創(chuàng)一個新的領(lǐng)域。這也是為什么詹其文的這項(xiàng)研究入選美國光學(xué)學(xué)會(OSA)評選的2020年度全球30項(xiàng)光學(xué)重大進(jìn)展之一的重要原因——它實(shí)現(xiàn)了光學(xué)領(lǐng)域從0到1的突破。

莊松林、詹其文和他們的團(tuán)隊(duì)絕不僅僅想做那個“筑巢”的人，他們期望利用新型的調(diào)控光場解決更加適合中國國情的關(guān)鍵技術(shù)問題。比如，是否有可能通過空間光場的調(diào)控，在不改變光刻機(jī)原有硬件的基礎(chǔ)上，把光刻機(jī)的最小線寬壓縮50%?近期，他們將嘗試自己新發(fā)明的光場放到強(qiáng)光下做實(shí)驗(yàn)，服務(wù)超快脈沖光領(lǐng)域，未來嘗試增加光纖通信的密度，使得一束光纖可以承載更多的信息量。

“我們要盡快把我們已有的創(chuàng)新想法落實(shí)。”即便是在春節(jié)假期期間，詹其文團(tuán)隊(duì)也在加緊進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以期在自己發(fā)明的新光場中率先做出新的研究成果，“現(xiàn)在國內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境有了極大的飛躍，我們能在國際舞臺上大顯身手。”

詹其文今年46歲，此前，他在美國生活工作了23年。2020年，在連續(xù)參加了好幾屆莊松林院士主持召開的東方論壇后，他決定回國做研究。上理工的光電學(xué)院，擁有全國規(guī)模最大的光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，6000平方米的超凈光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，光學(xué)平臺400個，共1萬多平方米的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是詹其文眼中最大的“吸引力”，“實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)室人才，都非常充足。”

近年來，詹其文看著國內(nèi)光學(xué)人才質(zhì)量越來越高，實(shí)驗(yàn)條件越來越好，總是心動著想要回來。“2007年時，我們組織了一個國際納米光子學(xué)會議，總共大約120人。到去年，已經(jīng)有700多人。”實(shí)驗(yàn)室和人才的雙重牽引，使得詹其文在2020年時果斷下決心，“是時候回來了”。

據(jù)悉，詹其文團(tuán)隊(duì)最近獲得國家自然科學(xué)基金委“新型光場調(diào)控物理與應(yīng)用重大研究計(jì)劃”的重點(diǎn)項(xiàng)目支持，將在這一領(lǐng)域進(jìn)一步開展系統(tǒng)深入研究。

2021年03月01日 05 版

關(guān)鍵詞： 光子颶風(fēng) 光學(xué)寶庫