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推动祖国的光子技术腾飞

文章来源:中国科技新闻网   文章作者:本站编辑   更新时间:2017-03-16    

  导语:光子是传递递电磁相互作用的基本粒子,属于一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体,在量子场论中被认为是电磁相互作用的媒介子。光子学作为一门具有极强应用背景的新兴学科,在其基础上发展起来的光子技术已成为当代的热门研究课题。随着人们对光子技术在现代科学及工业中发挥的作用的了解日益加深,这门新型技术已经被越来越多地应用到科学、工业乃至社会生活的各个领域,世界各国也掀起了在本技术领域内的竞争浪潮。为了推动我国在光子技术领域内的发展,增强国际竞争力,上海大学通信与信息工程学院的牟成博教授做了大量工作,研究成果得到了国内外同行的高度认可与好评。

  让世界瞩目的焦点

  2016年4月,Scientific Report的一篇报道让世界聚焦——上海大学通信与信息工程学院引进的中国国家青年千人牟成博教授成功研发了一种新型的中红外脉冲光纤激光器。该系统采用中国传统的 “阴-阳”结构,通过使用传统的光纤耦合器实现了混合非线性环镜的结构。而且进一步结合碳纳米管复合材料薄膜作为腔内调制器,实现了小型化、高功率、稳定调Q脉冲的输出。这种新型腔结构不但从原理上避免了采用中红外波段昂贵的隔离器元件,还实现了双通道相干中红外脉冲的特调谐同步输出。相关技术达到了国际领先水平。

  尤为值得称道的是,瑞士洛桑皇家理工(EPFL)曾于2015年同期提出了该种新型激光器结构,但是相关产品仅实现了线性的连续输出。中红外脉冲激光器是当前激光领域的研究热点,主要应用于分子印迹的识别、大气监测、频率梳产生、非线性频率变化以及太赫兹波产生等用途。但是传统固体激光器的成本极高,因而一直以来,同步相干中红外光源的产生是国际上的难点。有科学家指出,利用光纤作为载体实现中红外光纤脉冲激光器是未来的发展趋势。

  牟成博教授的这项研究与英国第二大光学中心阿斯顿光子技术研究所(AIPT)的同事共同完成,牟教授为论文的共同第一作者及通讯作者。他们的这一突破性成果,不仅降低了中红外光纤器件的成本以及实现了同步相干输出,而且还有望在进一步拓展中红外波段激

  多方向创新与探索

  牟成博教授介绍,他们的研究是基于多方向的创新完成的。包括:1.观测到螺旋吸引子并开创性地建立了理论模型。

  牟教授创造性地将超快光纤激光器引入到混沌吸引子的研究中,特别使用新型纳米材料作为腔内被动调制器件,采用高掺杂光纤作为增益并对泵浦光进行了偏振输出调控,应用高速偏振分析仪对产生的超短激光脉冲的偏振态变化规律进行了观测。这对包括黑洞、流体力学、热动力学、空气动力学、光学以及湍流等在内的基础科学的发展有重要的意义,尤其对基于混沌吸引子的随机数产生、新型混沌保密通信系统起着至关重要的作用。通过这一方式,他们观测到了由超短脉冲产生的一系列偏振吸引子,还特别观测到了一种新型的混沌吸引子——偏振螺旋吸引子。

  在此基础上,研究组开创性地建立了基于增益介质和纳米材料偶极子迁移吸收的模型。该理论非常成功地解释了所观测到的偏振螺旋吸引子,对于非线性科学中混沌吸引子的认知起着至关重要的作用。不同于传统的非线性薛定谔方程,仅针对矢量脉冲的耦合进行描述,本理论采用半经典模型,充分考虑了增益介质和可饱和吸收体的偶极子迁移吸收等重要物理特性。同时这也证明了偏振作为超短激光脉冲光的一个重要特性是可以作为单独的一个物理维度存在的。牟教授这项研究的相关结果发表在《自然》旗下刊物Light:Science&Application,审稿人认为他的工作在超快激光领域取得了巨大的进展,为激光科学、乃至广义的物理学和数学提供了全新的认识并对未来产生巨大影响。

  2.对矢量光孤子的偏振动力学研究。

  矢量光孤子的偏振特性,特别是偏振动力学在国际研究上一直属于难点问题。牟教授创新性地将碳纳米管/聚合物复合材料引入到矢量光孤子偏振特性研究的实验中,特别使用了偏振分析仪作为测量手段。以偏振度、振幅、功率尤其是相位等完整实验参数在偏振邦加球上全面展示了单脉冲矢量光孤子的产生。英国剑桥大学石墨烯研究中心主任A.C.Ferrari教授在综述文章中肯定了他的工作。

  牟成博教授随即还提出了一整套新颖的研究矢量光孤子偏振动力学的试验方法包括对超快光纤激光器的泵浦光偏振态及腔内双折射进行调控。在此基础之上,他同美

  国OFS公司合作以先进倾斜光纤光栅为基础共同开发了超高速偏振仪,是目前国际上通信波段的最高速1GHz。基于此,他又成功观测到孤子束缚态相邻脉冲之间的偏振进化轨迹,验证了相邻光孤子脉冲偏振变化的本征特性,对大容量光孤子通信及超快激光脉冲偏振动力学作出了开创性的研究。

  3.10阶谐波锁模的稳定全光纤超快激光器。牟成博教授通过使用碳纳米管聚合物复合材料作为可饱和吸收体,采用谐波锁模的方式,在国际上实现了最高次的10阶谐波锁模的稳定全光纤超快激光器,解决了普通光纤激光器重频低的问题。因为合物作为载体的碳纳米功能复合材料极难在大功率光纤激光器中发挥作用,他使用了N-甲基吡咯烷酮碳纳米管溶液作为光学可饱和吸收体来产生超短脉冲。研究通过光纤微流体器件作为载体,降低了系统成本,解决了碳纳米管溶液功能光电器件不稳定的国际难题,尤其实现了大功率、长时间稳定的全光纤输出,为先进精密制造提供了技术保障。此外,牟成博还积极参与新技术的产化推广,成功开发出基于碳纳米管聚合物材料的光纤激光器作为样机在中英格兰地区进行技术推广。

  4.基于偏振倾斜光纤光栅的高性能全光纤超快激光器。

  AIPT将45度倾斜光纤光栅作为一种新型全光纤偏振器件在国际上率先提出。相比于统的偏振器件,该器件具有全光纤、低插入损耗、偏振消光比极高等优势。牟成博教授在与美国空军实验室和波音公司的合作项目中,开创性地将该种器件引入到超快激光的实验中,使用45度角倾斜光栅作为非线性光学器件实现了600飞秒输出的全光纤超快激光器,对全光纤高性能光纤激光器的发展起了重要作用。

  牟教授介绍,基于石英光纤固有的紫外光敏性,该种光栅既可以制作在传统的通信光纤上也可以实现在保偏光纤、多模光纤、多芯光纤、增益光纤、尤其是双包层光纤等特种光纤上。这对实现大功率全光纤以及特种光纤激光器有着至关重大的意义。

  他还通过优化光栅和激光腔的结构取得了原理上的突破,实现了90飞秒的超快光纤激光器,这也是目前通过倾斜光栅所能实现的超短激光脉冲的世界纪录。牟成博教授对于倾斜光栅在超快光纤激光器方面的应用处于国际领先地位。基于该种倾斜光栅制备工艺研究,他与团队申请英国专利一项。

  高能量、稳定的短脉冲光源无论对于基础科研还是工业应用都有着及其重要意义。因为偏振作为激光脉冲的一个重要的基本特性,在超快激光器的本质探索及应用都起着至关重要的作用。具有可控本征偏振态的超短激光脉冲是研究光与物质相互作用,探索纳米级加工与量子应用的有力工具。

  据此,牟教授介绍,对超快光纤激光器的偏振动力学及其应用的研究是我国领先国际超快激光研究的大好机会,未来他还将

  带领团队继续进行超短激光脉冲的偏振动力学及应用探索。

  十年一剑书写辉煌

  牟成博教授的本科时代是在天津大学度过的。他2004年赴英国圣安德鲁斯大学攻读硕士学位,2006年考入英国阿斯顿大学攻读博士学位,以优异的成绩毕业以后,进入英国阿斯顿光子技术研究所担任高级研究员。他2010年获得英国物理学会(IOP)旅行基金;2015年获得英国学术委员会(British Council)资助在俄罗斯科学院举办的新型光电材料研讨会做特邀报告,成为与会的唯一华人学者。同年在教育部春晖教育资助下前往西南交通大学进行学术交流,并入选首批上海市“青年东方学者”人才计划。2016、2017年,牟教授担任美国光学学会(OSA)Optical Sensor会议的学术委员会成员,自2017年起担任CLEOPR大会激光分会主席兼学术委员会成员。

  一路走来,牟成博一直坚守在与新型光纤激光器、纳米光子学及新型光纤传感器等前沿领域相关的技术领域和应用研究战线上。早在博士期间就曾作为主要研究人员参与美国空军及波音公司共同资助的新型偏振光栅在大功率光纤激光器中的制备、特性及应用研究,并在国际上首次将倾斜光纤光栅引入到光纤激光器的研究中。

  他自2010年起作为工业光子学研究员对中英格兰地区超过60余个公司提供基于超快激光及光纤传感器方面的技术顾问,目前在国际大会和期刊上共发表及参与发表95篇文章,其中第一及通讯作者13篇,英国专利1项,参与撰写书籍2章,先后在国际大会特邀报告6次,并在Scientific Report,ACS Photonics,Optics Letters,Optics Express, Applied Physics Letters等知名国际期刊审稿人。还多次在CLEO,OFC,OFS等国际大会做学术报告。

  作为第十二批国家“青年千人”计划入选者,牟成博目前担任上海大学特种光纤与光接入网重点实验室教授。这些年中,他先后参与建设了先进光纤器件及光子学系统平台的建立,包括飞秒激光加工系统、紫外激光刻蚀系统等;与生命科学系一起共同建设生物光子学实验室平台;作为主要科研人员对特种光纤光栅的制备、表征及在光纤激光器中的应用都开展了开创性的工作;参与指导博士生并协助完成光纤器件产业化;负责指导项目海外博士生;主导制作了表征超灵敏光纤等离子体传感器的紫外刻蚀技术。

  “对超短激光脉冲偏振动力学的研究,进而实现本征偏振可控的超快激光器是学界发展所迫切需要的,然而当前国际上对此却鲜有研究。”谈及热爱的科学研究,牟成博总有说不完的话。他表示,创新是科学研究的生命力,为了推动我国光子技术的腾飞,今后他将继续和团队在一起,以创新为导向,为国家的超快光纤激光器研究事业书写更多辉煌。

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