馬夢(mèng)珂

詹其文（左二）在SPIE Photonics West會(huì)議接受SPIE Fellow證書(shū)

從20世紀(jì)到現(xiàn)在，從經(jīng)典力學(xué)到量子理論，物理學(xué)中對(duì)于空間和時(shí)間的觀念已經(jīng)不止一次引起了革命性的變化。而當(dāng)時(shí)間和空間真的被融合在一起，形成新的光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，又會(huì)給科學(xué)與技術(shù)帶來(lái)什么樣的變革？

2020年，來(lái)自上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院納米光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果發(fā)表在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上，并成功入選美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）評(píng)選的2020年度全球30項(xiàng)光學(xué)重大進(jìn)展以及2020年中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展。這項(xiàng)研究在光子軌道角動(dòng)量領(lǐng)域，將超快脈沖光時(shí)間領(lǐng)域調(diào)控和空間光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域創(chuàng)造性地“合二為一”，首次從理論到實(shí)驗(yàn)展示了具有時(shí)空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的新型光場(chǎng)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的光子軌道角動(dòng)量自由度。

作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授、納米光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家詹其文致力于光場(chǎng)調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用的創(chuàng)新研究，最終在光學(xué)領(lǐng)域刮起了一場(chǎng)光子“颶風(fēng)”，實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的突破。

幾十年如一日在實(shí)驗(yàn)室里與光粒子打交道要如何才能耐得住寂寞？詹其文的回答出乎意料：做自己感興趣的事情，不寂寞。

向上推動(dòng)創(chuàng)新在微納尺度“雕刻時(shí)光”

近年來(lái)，納米結(jié)構(gòu)、超材料等不斷刷新著人們對(duì)物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，“光場(chǎng)”作為描述光在空間方向和分布的描述，也逐漸進(jìn)入人們視野。針對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控，就好比在一幅畫(huà)的空間范圍內(nèi)，不同的位置能看到不同的光的強(qiáng)度、不同的光的顏色。詹其文的主要研究領(lǐng)域是光場(chǎng)調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用，即從微納尺度上對(duì)光的結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)間和空間上的排布。“所以我們有時(shí)候開(kāi)玩笑說(shuō)，我們做光場(chǎng)調(diào)控研究，就是在‘雕刻時(shí)光’?！?/p>

光場(chǎng)的調(diào)控并非想象中那么容易，不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)都不一樣，要得到最優(yōu)化的匹配，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的自由調(diào)控。當(dāng)自由度足夠大，具體應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)超分辨成像等目的，也就有了最優(yōu)化的解決方案。光場(chǎng)調(diào)控可以跟不同領(lǐng)域?qū)W科交叉，解決一個(gè)又一個(gè)具體的科學(xué)問(wèn)題。

詹其文1996年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)，其后赴美國(guó)留學(xué)，2002年獲得美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程博士學(xué)位。同年，他獲聘美國(guó)代頓大學(xué)電子光學(xué)系教職，歷任助理教授、終身制副教授等職位，于2012年獲聘終身制教授，主要研究領(lǐng)域涵蓋光場(chǎng)調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用、納米光子學(xué)、生物光子學(xué)、超分辨成像及納米結(jié)構(gòu)表征等。在美國(guó)任職期間，他還創(chuàng)立了代頓大學(xué)納米電子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室及代頓大學(xué)Fraunhofer中心，擔(dān)任主任一職。

在美國(guó)十多年的時(shí)間里，詹其文通過(guò)研究復(fù)雜光場(chǎng)在納米材料結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用及相關(guān)儀器的開(kāi)發(fā)發(fā)現(xiàn)，納米材料結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)偏振狀態(tài)具有天然的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)與作用，這一作用可以被用來(lái)作為探索新納米材料的光學(xué)無(wú)損分析及表征手段。而這些非傳統(tǒng)光學(xué)偏振態(tài)及其聚焦光場(chǎng)在光鑷方面的特殊作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬、低折射率介質(zhì)（如氣泡）、各向異性材料甚至磁性材料等納米顆粒的穩(wěn)定操縱。2002年至2003年，他就用簡(jiǎn)單的光學(xué)器件，創(chuàng)造性地提出并實(shí)現(xiàn)了一系列矢量光場(chǎng)的反射、轉(zhuǎn)向以及旋轉(zhuǎn)等操作的簡(jiǎn)易技術(shù)方法，并首次利用光束偏振空間對(duì)稱(chēng)性發(fā)明了高分辨率高精度掃描顯微橢偏儀等光學(xué)儀器。

2007年，一個(gè)針對(duì)半導(dǎo)體器件中如何做光場(chǎng)成像檢測(cè)的問(wèn)題找上了門(mén)。原來(lái)，由于該半導(dǎo)體芯片中結(jié)構(gòu)可能存在應(yīng)力，可能導(dǎo)致芯片生命周期大大縮短，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重故障。而在當(dāng)時(shí)，應(yīng)用中的光學(xué)技術(shù)無(wú)法對(duì)可能存在的應(yīng)力分布進(jìn)行成像。而詹其文針對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)的研究成果，剛好完美地解決了這一難題。通過(guò)內(nèi)部類(lèi)似自行車(chē)輪子一般的復(fù)雜光場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚焦，就可以以極高的分辨率看到半導(dǎo)體芯片中應(yīng)力的分布情況。

“誤打誤撞”下促成了基礎(chǔ)科研和應(yīng)用領(lǐng)域的完美結(jié)合，詹其文帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開(kāi)展深入研究，成功地將相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、光波導(dǎo)、生物樣品、微小光學(xué)器件以及超薄半導(dǎo)體介質(zhì)膜的檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)超衍射極限的光學(xué)成像。利用他提出的最優(yōu)表面等離子體激發(fā)下的光學(xué)天線，他和團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了新型納米拉曼譜成像技術(shù)，并探索其在下一代集成電路超高分辨率光場(chǎng)成像和納米材料結(jié)構(gòu)完整性研究中的應(yīng)用，獲得了4項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利，由美國(guó)的CyberOptics及德國(guó)的HSEB GmbH等高科技公司獲得授權(quán)后進(jìn)行推廣。

“創(chuàng)新的產(chǎn)生通常源于兩種驅(qū)動(dòng)力：一個(gè)是由應(yīng)用需求產(chǎn)生的牽引，另一個(gè)則是由基礎(chǔ)研究突破產(chǎn)生的托舉。當(dāng)雙方遇到一起的時(shí)候，解決方案就產(chǎn)生了。”詹其文說(shuō)。在此之后，他又系統(tǒng)地提出了空間偏振模式匹配的理論并將其成功應(yīng)用于最優(yōu)化表面等離子體聚焦，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了利用徑向偏振光束進(jìn)行表面等離子體會(huì)激發(fā)產(chǎn)生一種獨(dú)特的瞬逝Bessel光場(chǎng)。這一概念還被進(jìn)一步擴(kuò)展至其他共振結(jié)構(gòu)如光子晶體等，通過(guò)激發(fā)光束空間偏振態(tài)與相應(yīng)微納結(jié)構(gòu)的匹配從而得到最優(yōu)化的局域光場(chǎng)及場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。由于在納米尺度光學(xué)成像以及探測(cè)方面有廣闊的應(yīng)用前景，詹其文與得克薩斯大學(xué)合作，進(jìn)一步將空間偏振模式匹配導(dǎo)致的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)與新型光電材料以及光子晶體慢光波導(dǎo)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并演示了超高靈敏度的射頻電磁場(chǎng)的光學(xué)感應(yīng)器。

“大膽創(chuàng)新”不止于此，詹其文復(fù)雜光場(chǎng)方面的研究成果涵蓋矢量光束的數(shù)學(xué)及物理描述，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生及操縱、傳輸、聚焦特性及這些特性的實(shí)際應(yīng)用等。他還參與了“光場(chǎng)調(diào)控”這一新興學(xué)科領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性工作，并推動(dòng)其快速發(fā)展，應(yīng)邀為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊Advances in Optics and Photonics的創(chuàng)刊號(hào)撰寫(xiě)了對(duì)這一領(lǐng)域的綜述文章。而該文章自發(fā)表以來(lái)，長(zhǎng)期居于此期刊的最高下載及最高引用文章之一，并被科學(xué)引文索引（SCI）列為光學(xué)領(lǐng)域過(guò)去10年里最高引用文章之一。

作為特邀報(bào)告人，與來(lái)自中、美、加、日、德、南非等國(guó)家的特邀專(zhuān)家在Structured Light國(guó)際特別研討會(huì)的合影。

發(fā)現(xiàn)“光子颶風(fēng)”實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破

加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)，注重提升原始創(chuàng)新能力，努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破，是中國(guó)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，完善關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)的新型舉國(guó)體制，面向世界科技前沿、面向國(guó)家重大需求的核心要求和手段。在光子科學(xué)領(lǐng)域，許多科學(xué)家把畢生精力放在了空間光場(chǎng)或超快脈沖光等光子通信領(lǐng)域的研究，而要把時(shí)間和空間結(jié)合在一起，真正地“雕刻時(shí)光”，卻沒(méi)有人做過(guò)。從博士畢業(yè)開(kāi)始，詹其文就埋下了這顆夢(mèng)想的種子。

此后歷經(jīng)20年，他一直沒(méi)有忘記這個(gè)“初心”。直到回國(guó)工作多年后的2020年，這一夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)。他和團(tuán)隊(duì)首次從理論到實(shí)驗(yàn)展示了具有時(shí)空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的新型光場(chǎng)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的光子軌道角動(dòng)量自由度。

這是一個(gè)真正的“從0到1”的突破。一直以來(lái)，由于其在微納粒子操縱、超分辨光學(xué)顯微、超分辨激光加工、超高通量光互聯(lián)、高維度量子保密通信與信息處理等方面的重要應(yīng)用，光子的軌道角動(dòng)量態(tài)近年來(lái)吸引了全球大量的研究興趣，是國(guó)際上熱門(mén)的科研問(wèn)題。光信息科學(xué)也得益于對(duì)超快脈沖光等的不斷突破而快速發(fā)展。

詹其文引用氣象學(xué)的概念比喻，當(dāng)龍卷風(fēng)的氣流旋轉(zhuǎn)、從上往下到地面的時(shí)候，不斷地產(chǎn)生“軸旋”的狀態(tài)，光子的軌道角動(dòng)量正類(lèi)似這一狀態(tài)。如果說(shuō)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的光學(xué)角動(dòng)量運(yùn)動(dòng)軌跡是“龍卷風(fēng)”，他和團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)則是形成類(lèi)似快速移動(dòng)的光子“颶風(fēng)”。

“當(dāng)時(shí)我們就在想，氣象學(xué)中，除了龍卷風(fēng)的渦旋外，還有像臺(tái)風(fēng)一樣的渦旋狀態(tài)。我們光學(xué)研究既然有龍卷風(fēng)，那么是否有臺(tái)風(fēng)這種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式？而如果要做，我們就必須把時(shí)間‘?dāng)嚒M(jìn)來(lái)?！被A(chǔ)科研的創(chuàng)新，往往在于突破思維的定式，拆除思維的籬笆。有了大膽的想象，還要有強(qiáng)大的執(zhí)行力。在夢(mèng)想的驅(qū)動(dòng)下，詹其文和團(tuán)隊(duì)克服了思維的障礙，直面光場(chǎng)空間調(diào)控和超快脈沖光兩個(gè)不同領(lǐng)域在這一研究中難以調(diào)和的矛盾。從2018年至2020年，僅僅兩年的時(shí)間，他們就實(shí)現(xiàn)了這一在光學(xué)調(diào)控領(lǐng)域堪稱(chēng)突破性的重大構(gòu)想，為利用光識(shí)別物質(zhì)提供了全新手段，也為信息傳遞提供了更廣的通道。

“一開(kāi)始我們就好奇是否可以讓光從超快脈沖平臺(tái)射向空間光場(chǎng)調(diào)控平臺(tái)，但我們發(fā)現(xiàn)這不是簡(jiǎn)單的1+1，于是就嘗試對(duì)各實(shí)驗(yàn)要素系統(tǒng)集成，把兩個(gè)不交融的領(lǐng)域合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上?！崩?0多年積累的科研經(jīng)驗(yàn)，詹其文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地用“空間頻率—頻率面到空間—時(shí)間面”的傅里葉變換，成功生成了攜帶橫向光子軌道角動(dòng)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(shí)，光子能流圍繞一個(gè)隨波包移動(dòng)的橫向軸旋轉(zhuǎn)，從而形成光子“颶風(fēng)”。這一發(fā)現(xiàn)在光通信、光信息處理、量子光學(xué)、粒子操控、新型能源、相對(duì)論空間物理等領(lǐng)域具有重要的潛在研究和應(yīng)用價(jià)值。

所用的方法是光學(xué)領(lǐng)域人人都懂的原理，形成的裝置也容易普及，詹其文和團(tuán)隊(duì)卻領(lǐng)先全世界首先做了出來(lái)，歸根結(jié)底在于比別人“多想了一步”。項(xiàng)目開(kāi)始后很快取得突破性進(jìn)展，甚至在實(shí)驗(yàn)方案敲定之后，僅僅用了兩個(gè)月的時(shí)間，就驗(yàn)證出了結(jié)論，這讓詹其文和團(tuán)隊(duì)也吃了一驚。他們反復(fù)分析數(shù)據(jù)，最終確定，超脈沖光學(xué)波包這一狀態(tài)確實(shí)產(chǎn)生了，比原本計(jì)劃需要的時(shí)間大大縮短。盡管如此，這一突破性成果的產(chǎn)生卻并非偶然，甚至是“十年磨一劍”的成果，夢(mèng)想的種子經(jīng)過(guò)多年在科研上的創(chuàng)新而結(jié)出了最豐碩的果實(shí)。

詹其文和團(tuán)隊(duì)的這一研究成果得到了世界光子科學(xué)界的認(rèn)可，并發(fā)表在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上，成功入選2020年度全球30項(xiàng)光學(xué)重大進(jìn)展。但他們并未就此停止研究。新的理論出爐，必將在應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)更激烈的競(jìng)爭(zhēng)，作為“筑巢”者，也必須走在前面，引領(lǐng)這一領(lǐng)域的創(chuàng)新之潮。2020年，研究團(tuán)隊(duì)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委“新型光場(chǎng)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(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。

在科研中，究竟是“從0到1”更重要，還是“從1到100”更重要？這或許是一個(gè)無(wú)法比較的問(wèn)題。但從0到1，意味著這項(xiàng)研究有一定的隨機(jī)性，也有無(wú)限可能性，是一個(gè)自由探索的過(guò)程，哪怕無(wú)法預(yù)料可以解決什么應(yīng)用問(wèn)題，但只要突破了，就可能會(huì)對(duì)某個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變革；同樣，從1到100，將不斷見(jiàn)證基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新為人類(lèi)科技生活帶來(lái)的巨大推動(dòng)，這或許就是科研的魅力所在，也是科研工作者全力以赴、追求卓越的動(dòng)力。

作為Optica副主編，與Nature、APL Photonics、ACS Photonics、 Light: Science and Applications、Nature Physics、 Nature Communications、Advanced Optical Materials、 Nanophotonics等頂級(jí)期刊編輯研討會(huì)的合影。

注重“理實(shí)交融”帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走上國(guó)際舞臺(tái)

盡管已經(jīng)本科畢業(yè)20余年，詹其文仍牢牢記得母校中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的校訓(xùn)——“紅專(zhuān)并進(jìn)、理實(shí)交融”，既要擁有創(chuàng)新精神與能力，理論和實(shí)踐相結(jié)合，也要思慮如何報(bào)效祖國(guó)奉獻(xiàn)社會(huì)，這8個(gè)字也成為影響詹其文一生的格言。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)光學(xué)盡管快速發(fā)展，但仍受到很大的制約，選擇專(zhuān)業(yè)時(shí)，詹其文毫不猶豫選擇了這一領(lǐng)域作為自己未來(lái)的發(fā)展方向。在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的5年學(xué)習(xí)生活，也為他后來(lái)的科研道路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代末，國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施剛開(kāi)始普及，科研領(lǐng)域的信息交流對(duì)比美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)仍比較閉塞。詹其文選擇到美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)讀博，就是為了到光學(xué)學(xué)科發(fā)展最前沿的地方，跟世界頂尖的科學(xué)家一起交流學(xué)習(xí)。在復(fù)雜光場(chǎng)方面的不斷創(chuàng)新，讓他逐漸在美國(guó)光學(xué)科學(xué)領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。博士畢業(yè)后，他一直與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校和科研單位保持著密切合作與交流，并推動(dòng)納米光子學(xué)國(guó)際會(huì)議到中國(guó)舉辦，讓中外科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“零距離”交流。經(jīng)過(guò)多年培育，納米光子學(xué)國(guó)際會(huì)議已經(jīng)形成了500人的參會(huì)規(guī)模。兩年多前，詹其文排除了回國(guó)的重重阻礙，選擇回到上海理工大學(xué)任教，將自己在基礎(chǔ)理論上的研究?jī)?yōu)勢(shì)，與上海理工大學(xué)的工程應(yīng)用學(xué)科優(yōu)勢(shì)結(jié)合，致力于解決更多領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。

回國(guó)以來(lái)，詹其文大部分的時(shí)間都奉獻(xiàn)給了科研工作，盡管很忙，但他卻甘之如飴——研究工作本身就是他的興趣所在。在詹其文的帶領(lǐng)下，上海理工大學(xué)成立了納米光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并得到了上海市教委的重點(diǎn)支持。作為首席科學(xué)家，他希望能夠?qū)⒓{米光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)真正培育成在國(guó)際上有較大影響力的科研團(tuán)隊(duì)。

在詹其文的領(lǐng)導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)正致力于開(kāi)展光場(chǎng)時(shí)空調(diào)控的應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)研究，比如在如何控制光場(chǎng)“手性”的問(wèn)題上，一旦取得突破性進(jìn)展，將可以借助光場(chǎng)“手性”辨別物質(zhì)的不同特性。在詹其文看來(lái)，光場(chǎng)的“手性”理論可以應(yīng)用在制藥上，藥物當(dāng)中許多分子都具有不同的手性，它們分子式一樣，但空間排布的結(jié)構(gòu)卻完全不同，就好像鏡像反射中的左手與右手?！盎瘜W(xué)藥品的分子中，也許某一種手性是有效成分，相反的手性是無(wú)效成分甚至是有毒的，我們需要把不同的手性區(qū)分開(kāi)來(lái)。借助光場(chǎng)調(diào)控，有可能讓我們?cè)趲资{米的尺度上，去分辨和篩選分子是左手性還是右手性?！闭财湮恼f(shuō)。

如今，納米光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的科研人員已達(dá)28人，大都是80后甚至是90后。對(duì)團(tuán)隊(duì)中的年輕人才，詹其文希望能夠讓他們每個(gè)人都逐漸擁有自己擅長(zhǎng)的研究領(lǐng)域，形成自己獨(dú)特的科研“品牌”。作為導(dǎo)師，他致力于對(duì)不同的學(xué)生因材施教，啟發(fā)學(xué)生了解自己的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，激發(fā)他們的興趣。在國(guó)外的十多年時(shí)間里，他已經(jīng)培養(yǎng)了20多名光子學(xué)領(lǐng)域的博士研究生。

對(duì)于未來(lái)的規(guī)劃，詹其文說(shuō)：“我希望通過(guò)扎扎實(shí)實(shí)的努力，在三五年的時(shí)間內(nèi)，讓整體團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上能夠獲得認(rèn)可，產(chǎn)生更多研究成果，并在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。”對(duì)于許多人說(shuō)的“做科研要耐得住寂寞”的說(shuō)法，詹其文卻有不一樣的回答，“不寂寞，我的研究工作就是我自己感興趣的事情，就這么簡(jiǎn)單”。