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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
发布时间:2013-10-17文章来源:

专家档案:李志远教授,1972年5月生。1994年本科毕业于中国科技大学物理系,1999年取得中科院物理所理学博士,1999-2003先后作为访问学者、博士后研究助理在香港科技大学、美国华盛顿大学和美国能源部A m e s实验室从事光子晶体理论研究,2004年1月入选中国科学院“百人计划”并获“择优支持”,2005年获国家“杰出青年”科学基金资助。现任中科院物理研究所研究员、博士生导师,中国科技大学物理系兼职教授。

2009年6月在澳大利亚墨尔本参加国际会议
    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。爱因斯坦从光速不变性出发,提出相对论,引发了物理学乃至自然科学的革命。纳米光子学则是一门结合当代纳米科学与光子学的新型交叉学科,基于纳米制造技术的微纳结构将引起光子技术的巨大进步,在集成光子回路,超快光信息处理,生物光子学等方面纳米光子技术都有很大的应用前景。目前,中国科学院物理所光物理重点实验室的李志远教授与他所带领的团队正在致力于利用纳米光子学器件在纳米尺度上操纵和控制光子,实现全光集成,发展更小,更快和更强的光学器件,为下一代的信息技术提供物理平台和技术保障,为提高能源开发和利用效率发挥作用。

“全国百篇优秀博士论文”:一个高水准的起点
 
   1990年,18岁的李志远从福建省漳浦县的一个小乡村北上,前往中国科技大学物理系学习。在本科分专业时,他选择了光电子学,从此与光结下了不解之缘,踏上了光学研究的道路。1994年本科毕业后,李志远继续北上,来到中国科学院物理研究所作为保送生继续攻读光学硕士和博士。在本科最后一学期做毕业设计和硕士研究生第一年做课程学习期间,他就孜孜不倦地到图书馆阅读各种相关的书籍和期刊,在广阔的知识天地里如饥似渴地吸收营养。并潜心思考,用心体会前人研究成果的美妙,初步形成了自己独立做科研的风格:发现问题,分析问题和解决问题。到物理所后,随着研究的深入,他更加坚定了自己的科研道路,并立志在科学前沿领域有所建树。当时他的导师做的是其他方向的研究,李志远在学习和阅读文献的过程中逐渐了解了纳米光学这个全新的领域,他敏锐地感觉到这个领域将在未来的科技发展中占有重要地位,凭借自己的浓厚兴趣和勇于钻研的精神,李志远打算大干一场。他几乎把自己的全部时间投入到学习和研究上,并取得了丰硕成果。
    1999年,李志远从中国科学院物理所博士毕业,他的毕业论文《近场光学和光子晶体中电磁场的研究》拿到了2001年度的全国百篇优秀博士论文奖。全国优秀博士学位论文评选工作是由教育部和国务院学位委员会批准并组织的面向二十一世纪教育振兴行动计划,旨在逐步建立有效的质量监督和激励机制,推动研究生教育工作重点切实转移到提高培养质量上来,培养和激励在学博士生的创新精神,促进高层次创造性人才脱颖而出。自1998年5月启动以来,每年从全国各学科成千上万的博士论文中选取百篇予以奖励资助。这是一个很高层次的奖项,竞争激烈,要求严格,每个学科往往只有一篇获奖论文,而获得此项殊荣的博士一般也都已经在自己所在的研究领域崭露头角,并有着很好的发展前途。近场光学和光子晶体是当时国际上十分热门的两个光学研究领域,李志远的这篇论文着眼于这两个领域里局域和周期性介观体系的电磁场问题的求解,提出了求解局域和周期性介观体系的电磁场分布的新方法,通过对近场光学和光子晶体两个领域中一些问题的研究,取得了有意义、创新性的结果,并初步对利用纳米光学结构调控光传输的强大能力有了深刻的认识。在1998年底完成博士论文答辩后至1999年3月离开物理所前的短短三个月时间里,李志远积极协助导师开展了植物体系光合作用的文献阅读和整理工作。虽然花费了大量的时间和精力,但是他无怨无悔,一切都是为了科研任务的需要。这件事情反过来给他很多深刻的教益,一是开拓了知识视野,增长了阅历,二是培养了团队协作的精神和作风习惯。这个经历为他将来不断开拓研究领域,发掘各学科的交叉点积累了宝贵的财富。
    百篇优秀博士论文奖是李志远学生时期辛勤努力的最佳注脚,也给了他以后科研道路一个高水准的起点。在毕业时他还获得了中科院“院长特别奖”,这个奖项是中科院研究生的最高荣誉,每年只有20名学生能获此殊荣。这些奖项进一步坚定了他终生投入光学研究事业的决心和信心,回忆自己的求学时代,李志远教授总结说,一个好的研究目标是成功的一半,而善于发现问题,分析问题,解决问题,踏踏实实不断深入,则是成功的另一半。

2010年10月在物理所实验室

“百人计划”:一个海阔天空的发展平台
 
   博士毕业后,李志远先后在香港科技大学、美国华盛顿大学和美国能源部Ames实验室从事科研工作,在国外的科研经历大大开拓了他的视野,使他真正接触到世界领先的前沿课题,并进一步扎实了他的基础理论功底。然而,良好的科研条件和丰厚的物质生活都没能留住李志远的心,他始终认为在国外的学习工作是一种过渡阶段。他是中科院物理所培养出的纳米光学领域人才,他喜欢国内熟悉的生活氛围,那里有他时刻想念的师长朋友。终于,一个合适的时机来了,李志远申请到了中国科学院“百人计划”。
    “百人计划”是1994年中国科学院启动的一项高目标、高标准和高强度支持的人才引进与培养计划。该项目原计划在20世纪的最后几年中,以每人200万元的资助力度从国外吸引并培养百余名优秀青年学术带头人。十几年来,“百人计划”已经为中国科学凝聚了大批优秀人才。
    此时的李志远已经在纳米光学理论研究领域取得了很大进展,在光子晶体,集成光学,近场光学,和衍射光学中电磁场问题的理论研究和数值计算上取得多项创新成果,包括近场光学显微镜系统中电磁场的严格计算;近似矢量衍射理论模型在衍射光学元件设计中的应用;光子晶体中原子自发辐射和热辐射的研究;无序和缺陷对光子带隙的影响;晶体结构对称性在平面波方法和传递矩阵方法中的系统应用;三维金属光子晶体电磁波传播的解析求解等等。他的成果有多篇论文发表在Phys.Rev.Lett,JACS,Appl.Phys.Lett,Phys.R e v等高质量的学术期刊上。当李志远决定申请中科院“百人计划”后,他没有思想包袱,也没有为自己留后路,毅然提前终止国外的职位。“漫卷诗书喜欲狂,青春作伴好还乡”,2003年底,李志远回到了祖国。这选择中除了对自己的才干和能力有充分的自信外,还饱含着海外游子对回国服务的热切向往。经过层层选拔和审评,李志远顺利入选“百人计划”,2004年1月正式上岗,翌年获得了“择优支持”。
    有了雄厚的资金支持,有了坚实的理论功底,李志远开始考虑理论与实验相结合的研究方向,争取光学理论研究成果的工业化和社会化。光学本身就是一门具有强烈应用导向的自然科学分支,小到光纤通讯、光盘、照明、图象显示,大到激光核聚变大型工程、人造地球卫星激光测距系统,都是光学研究的成果。将纳米光学尽快与生产市场接轨,直接服务社会,是各国科学家目前争分夺秒奋斗的目标。李志远提出“两手抓”的科研方针,即理论研究继续做,理论实验相结合。以此为目标,他传承并发扬光大物理所光物理实验室前辈们开创的科研事业,积极组建了一支老、中、青相结合的研究团队,带领一支将近20人左右的硕士和博士研究生队伍,进行实验室的软件和硬件建设。研究团队采用了外部购置和自行研制科学仪器相结合的方针,组建了较为完整的实验平台,包括高性能的计算机群工作站,扫描近场光学显微镜,微波网络分析仪,飞秒脉冲激光器,单光子计数器,可产生大面积均匀可调谐静磁场的永磁铁,能制备纳米平整度金属薄膜的磁控溅射设备,以及其他的实验仪器和设备。此外,课题组还充分利用并参与发展了中科院物理所的微纳加工技术平台。这些软件和硬件较好地服务于研究课题的开展。
    他所带领的研究小组围绕以光子晶体和其他纳米光子学前沿课题开展了多学科交叉的研究,内容包括光子晶体,金属纳米颗粒和纳米结构,以及非线性光子晶体等。结合多种理论分析和数值计算工具,运用精密光谱技术,非线性光学技术,近场光学技术,超快光学技术和微加工技术等,对研究课题作多角度,多尺度的理论、实验和应用研究,获得了多项创新成果。充分发展和开拓国内外的学术合作途径,取得了良好的效果。
    李志远多年在科学前沿的辛勤劳动和不懈努力获得了丰厚的回报,至今他总共发表SCI论文超过200篇,其中在Phys. Rev. Lett., JACS, Nano Letters,Advanced Materials等高影响因子(IF>7)论文将近40篇,Appl.Phys. Lett.,Phys.Rev.A/B, Optics Letters,Optics Express, J. Phys. Chem. B,Langmuir,ACSNano等较高影响因子(7>I F>3)上的论文70多篇。论文在国内外有广泛的学术影响,发表以来总共被SCI引用超过5000次,将近20篇论文被引用超过100次,H-index为38,在国内年轻学者中算是很突出的。由于这些研究成果,李志远研究员在国内和国际重要的学术会议上作邀请报告共计40多次,被邀请作为国内核心期刊《科学通报》和《光学学报》的编委。同时,他还积极为国内许多大学和科研机构的本科生、研究生做前沿科学问题的讲座,热心为青年人答疑解惑,希望自己的学识和经验能够为有志于做科学研究的青年学生提供参考和指引。2008年,“百人计划”结题,李志远的项目终期评估获“优”。在百人计划的资助下,李志远回国后的科研工作很快就打开了一个大好的局面。 

2009年5月课题组在奥林匹克森林公园集体活动

国际知名实验室:一个并非遥远的目标

    在“百人计划”之后,2005年和2006年,李志远作为课题负责人又先后申请到了国家自然科学基金委“杰出青年基金”项目、国家重点基础研究发展研究计划(973)项目,在光子晶体和表面等离激元结构等为代表的纳米光子器件及应用、新型人工电磁介质的理论与应用研究等领域开展研究,并有了不断更新的突破。其中,金属纳米颗粒的表面等离子体共振在局域场增强和Raman信号检测的应用研究成果,被2007年4月6日的国际权威期刊Science杂志选为Editor’s Choice专栏作为亮点加以评述,理论计算的表面电场分布图则被选为插图。金属纳米颗粒表面等离子体共振在生物医学疾病检测和治疗方面的应用研究成果,被2008年1月份的国际权威期刊Nature Photonics杂志的Research Highlight栏目专题介绍和积极评价。在新型金属纳米颗粒合成的微观机理方面的研究成果,被2009年6月18号一期的国际权威期刊Nature杂志作为研究亮点(Research Highlight)所评述。最近,他开拓了利用增益介质和金属纳米颗粒相复合以放大和增强表面等离子体共振的新领域,发现该方法能够产生巨大的电磁场增强效应,从而在单分子的拉曼光谱检测和非线性双稳态纳米光开关器件等方面有诱人的应用前景。该方案突破了国际学术界多年以来依靠金属颗粒的几何形状优化设计来增强局部电磁场强度的固有思路,研究成果得到了国内外许多专家的关注。
    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。
    对于所取得的成就,李志远教授保持了谦虚和谨慎,他说自己只是在努力追赶世界前沿。谈及实验室近期的发展目标,他的目光炯炯有神:一是在纳米光学的多个研究方向都能够有所进展,在几个研究的集中点上有所突破;二是推进不同学科之间的交叉互动,实现新研究方向的开拓,和纳米光子学器件新功能的开发;三是在研究中发展出新技术和新概念,能够与工业界合作,实现产品开发,服务社会大众。李教授希望在不久的将来自己的研发中心能在国家重大需求方面有所贡献,在国际上取得一定的影响力,在光学技术的发明和发展上有所突破。
    正如李志远教授的自我总结,成功在于扎实的基础和明确的目标。目标可以高远,但先要进行分解,一步一步踏实前进。不断发现问题、分析问题、解决问题,周而复始,科研就是这样的简单枯燥而又具体生动。从小事做起,从具体问题做起,才能越做越开阔,越做越清晰。李志远教授就是这样的方法在科研道路上不断取得快速飞跃,不断靠近国际研究领域的前沿阵地。相信他和他所带领的中科院物理所纳米光学研究团队也会尽快实现服务于国家重大需求,在医疗卫生、信息处理、新能源等方面有所贡献的宏伟目标。

 


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