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推動祖國的光子技術(shù)騰飛
來源： 科技文摘網(wǎng)站
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心
日期：
2017-03-26
導(dǎo)語：光子是傳遞遞電磁相互作用的基本粒子，屬于一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，在量子場論中被認為是電磁相互作用的媒介子。光子學(xué)作為一門具有極強應(yīng)用背景的新興學(xué)科，在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光子技術(shù)已成為當代的熱門研究課題。隨著人們對光子技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)及工業(yè)中發(fā)揮的作用的了解日益加深，這門新型技術(shù)已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到科學(xué)、工業(yè)乃至社會生活的各個領(lǐng)域，世界各國也掀起了在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的競爭浪潮。為了推動我國在光子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，增強國際競爭力，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院的牟成博教授做了大量工作，研究成果得到了國內(nèi)外同行的高度認可與好評。
讓世界矚目的焦點
2016年4月，Scientific Report的一篇報道讓世界聚焦——上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院引進的中國國家青年千人牟成博教授成功研發(fā)了一種新型的中紅外脈沖光纖激光器。該系統(tǒng)采用中國傳統(tǒng)的 “陰-陽”結(jié)構(gòu)，通過使用傳統(tǒng)的光纖耦合器實現(xiàn)了混合非線性環(huán)鏡的結(jié)構(gòu)。而且進一步結(jié)合碳納米管復(fù)合材料薄膜作為腔內(nèi)調(diào)制器，實現(xiàn)了小型化、高功率、穩(wěn)定調(diào)Q脈沖的輸出。這種新型腔結(jié)構(gòu)不但從原理上避免了采用中紅外波段昂貴的隔離器元件，還實現(xiàn)了雙通道相干中紅外脈沖的特調(diào)諧同步輸出。相關(guān)技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。
尤為值得稱道的是，瑞士洛?；始依砉?EPFL)曾于2015年同期提出了該種新型激光器結(jié)構(gòu)，但是相關(guān)產(chǎn)品僅實現(xiàn)了線性的連續(xù)輸出。中紅外脈沖激光器是當前激光領(lǐng)域的研究熱點，主要應(yīng)用于分子印跡的識別、大氣監(jiān)測、頻率梳產(chǎn)生、非線性頻率變化以及太赫茲波產(chǎn)生等用途。但是傳統(tǒng)固體激光器的成本極高，因而一直以來，同步相干中紅外光源的產(chǎn)生是國際上的難點。有科學(xué)家指出，利用光纖作為載體實現(xiàn)中紅外光纖脈沖激光器是未來的發(fā)展趨勢。
牟成博教授的這項研究與英國第二大光學(xué)中心阿斯頓光子技術(shù)研究所(AIPT)的同事共同完成，牟教授為論文的共同第一作者及通訊作者。他們的這一突破性成果，不僅降低了中紅外光纖器件的成本以及實現(xiàn)了同步相干輸出，而且還有望在進一步拓展中紅外波段激
多方向創(chuàng)新與探索
牟成博教授介紹，他們的研究是基于多方向的創(chuàng)新完成的。包括：1.觀測到螺旋吸引子并開創(chuàng)性地建立了理論模型。
牟教授創(chuàng)造性地將超快光纖激光器引入到混沌吸引子的研究中，特別使用新型納米材料作為腔內(nèi)被動調(diào)制器件，采用高摻雜光纖作為增益并對泵浦光進行了偏振輸出調(diào)控，應(yīng)用高速偏振分析儀對產(chǎn)生的超短激光脈沖的偏振態(tài)變化規(guī)律進行了觀測。這對包括黑洞、流體力學(xué)、熱動力學(xué)、空氣動力學(xué)、光學(xué)以及湍流等在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展有重要的意義，尤其對基于混沌吸引子的隨機數(shù)產(chǎn)生、新型混沌保密通信系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。通過這一方式，他們觀測到了由超短脈沖產(chǎn)生的一系列偏振吸引子，還特別觀測到了一種新型的混沌吸引子——偏振螺旋吸引子。
在此基礎(chǔ)上，研究組開創(chuàng)性地建立了基于增益介質(zhì)和納米材料偶極子遷移吸收的模型。該理論非常成功地解釋了所觀測到的偏振螺旋吸引子，對于非線性科學(xué)中混沌吸引子的認知起著至關(guān)重要的作用。不同于傳統(tǒng)的非線性薛定諤方程，僅針對矢量脈沖的耦合進行描述，本理論采用半經(jīng)典模型，充分考慮了增益介質(zhì)和可飽和吸收體的偶極子遷移吸收等重要物理特性。同時這也證明了偏振作為超短激光脈沖光的一個重要特性是可以作為單獨的一個物理維度存在的。牟教授這項研究的相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然》旗下刊物Light：Science&Application，審稿人認為他的工作在超快激光領(lǐng)域取得了巨大的進展，為激光科學(xué)、乃至廣義的物理學(xué)和數(shù)學(xué)提供了全新的認識并對未來產(chǎn)生巨大影響。
2.對矢量光孤子的偏振動力學(xué)研究。
矢量光孤子的偏振特性，特別是偏振動力學(xué)在國際研究上一直屬于難點問題。牟教授創(chuàng)新性地將碳納米管/聚合物復(fù)合材料引入到矢量光孤子偏振特性研究的實驗中，特別使用了偏振分析儀作為測量手段。以偏振度、振幅、功率尤其是相位等完整實驗參數(shù)在偏振邦加球上全面展示了單脈沖矢量光孤子的產(chǎn)生。英國劍橋大學(xué)石墨烯研究中心主任A.C.Ferrari教授在綜述文章中肯定了他的工作。
牟成博教授隨即還提出了一整套新穎的研究矢量光孤子偏振動力學(xué)的試驗方法包括對超快光纖激光器的泵浦光偏振態(tài)及腔內(nèi)雙折射進行調(diào)控。在此基礎(chǔ)之上，他同美
國OFS公司合作以先進傾斜光纖光柵為基礎(chǔ)共同開發(fā)了超高速偏振儀，是目前國際上通信波段的最高速1GHz?；诖?，他又成功觀測到孤子束縛態(tài)相鄰脈沖之間的偏振進化軌跡，驗證了相鄰光孤子脈沖偏振變化的本征特性，對大容量光孤子通信及超快激光脈沖偏振動力學(xué)作出了開創(chuàng)性的研究。
3.10階諧波鎖模的穩(wěn)定全光纖超快激光器。牟成博教授通過使用碳納米管聚合物復(fù)合材料作為可飽和吸收體，采用諧波鎖模的方式，在國際上實現(xiàn)了最高次的10階諧波鎖模的穩(wěn)定全光纖超快激光器，解決了普通光纖激光器重頻低的問題。因為合物作為載體的碳納米功能復(fù)合材料極難在大功率光纖激光器中發(fā)揮作用，他使用了N-甲基吡咯烷酮碳納米管溶液作為光學(xué)可飽和吸收體來產(chǎn)生超短脈沖。研究通過光纖微流體器件作為載體，降低了系統(tǒng)成本，解決了碳納米管溶液功能光電器件不穩(wěn)定的國際難題，尤其實現(xiàn)了大功率、長時間穩(wěn)定的全光纖輸出，為先進精密制造提供了技術(shù)保障。此外，牟成博還積極參與新技術(shù)的產(chǎn)化推廣，成功開發(fā)出基于碳納米管聚合物材料的光纖激光器作為樣機在中英格蘭地區(qū)進行技術(shù)推廣。
4.基于偏振傾斜光纖光柵的高性能全光纖超快激光器。
AIPT將45度傾斜光纖光柵作為一種新型全光纖偏振器件在國際上率先提出。相比于統(tǒng)的偏振器件，該器件具有全光纖、低插入損耗、偏振消光比極高等優(yōu)勢。牟成博教授在與美國空軍實驗室和波音公司的合作項目中，開創(chuàng)性地將該種器件引入到超快激光的實驗中，使用45度角傾斜光柵作為非線性光學(xué)器件實現(xiàn)了600飛秒輸出的全光纖超快激光器，對全光纖高性能光纖激光器的發(fā)展起了重要作用。
牟教授介紹，基于石英光纖固有的紫外光敏性，該種光柵既可以制作在傳統(tǒng)的通信光纖上也可以實現(xiàn)在保偏光纖、多模光纖、多芯光纖、增益光纖、尤其是雙包層光纖等特種光纖上。這對實現(xiàn)大功率全光纖以及特種光纖激光器有著至關(guān)重大的意義。
他還通過優(yōu)化光柵和激光腔的結(jié)構(gòu)取得了原理上的突破，實現(xiàn)了90飛秒的超快光纖激光器，這也是目前通過傾斜光柵所能實現(xiàn)的超短激光脈沖的世界紀錄。牟成博教授對于傾斜光柵在超快光纖激光器方面的應(yīng)用處于國際領(lǐng)先地位?；谠摲N傾斜光柵制備工藝研究，他與團隊申請英國專利一項。
高能量、穩(wěn)定的短脈沖光源無論對于基礎(chǔ)科研還是工業(yè)應(yīng)用都有著及其重要意義。因為偏振作為激光脈沖的一個重要的基本特性，在超快激光器的本質(zhì)探索及應(yīng)用都起著至關(guān)重要的作用。具有可控本征偏振態(tài)的超短激光脈沖是研究光與物質(zhì)相互作用，探索納米級加工與量子應(yīng)用的有力工具。
據(jù)此，牟教授介紹，對超快光纖激光器的偏振動力學(xué)及其應(yīng)用的研究是我國領(lǐng)先國際超快激光研究的大好機會，未來他還將
帶領(lǐng)團隊繼續(xù)進行超短激光脈沖的偏振動力學(xué)及應(yīng)用探索。
十年一劍書寫輝煌
牟成博教授的本科時代是在天津大學(xué)度過的。他2004年赴英國圣安德魯斯大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，2006年考入英國阿斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位，以優(yōu)異的成績畢業(yè)以后，進入英國阿斯頓光子技術(shù)研究所擔任高級研究員。他2010年獲得英國物理學(xué)會(IOP)旅行基金;2015年獲得英國學(xué)術(shù)委員會(British Council)資助在俄羅斯科學(xué)院舉辦的新型光電材料研討會做特邀報告，成為與會的唯一華人學(xué)者。同年在教育部春暉教育資助下前往西南交通大學(xué)進行學(xué)術(shù)交流，并入選首批上海市“青年東方學(xué)者”人才計劃。2016、2017年，牟教授擔任美國光學(xué)學(xué)會(OSA)Optical Sensor會議的學(xué)術(shù)委員會成員，自2017年起擔任CLEOPR大會激光分會主席兼學(xué)術(shù)委員會成員。
一路走來，牟成博一直堅守在與新型光纖激光器、納米光子學(xué)及新型光纖傳感器等前沿領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用研究戰(zhàn)線上。早在博士期間就曾作為主要研究人員參與美國空軍及波音公司共同資助的新型偏振光柵在大功率光纖激光器中的制備、特性及應(yīng)用研究，并在國際上首次將傾斜光纖光柵引入到光纖激光器的研究中。
他自2010年起作為工業(yè)光子學(xué)研究員對中英格蘭地區(qū)超過60余個公司提供基于超快激光及光纖傳感器方面的技術(shù)顧問，目前在國際大會和期刊上共發(fā)表及參與發(fā)表95篇文章，其中第一及通訊作者13篇，英國專利1項，參與撰寫書籍2章，先后在國際大會特邀報告6次，并在Scientific Report，ACS Photonics，Optics Letters，Optics Express， Applied Physics Letters等知名國際期刊審稿人。還多次在CLEO，OFC，OFS等國際大會做學(xué)術(shù)報告。
作為第十二批國家“青年千人”計劃入選者，牟成博目前擔任上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室教授。這些年中，他先后參與建設(shè)了先進光纖器件及光子學(xué)系統(tǒng)平臺的建立，包括飛秒激光加工系統(tǒng)、紫外激光刻蝕系統(tǒng)等;與生命科學(xué)系一起共同建設(shè)生物光子學(xué)實驗室平臺;作為主要科研人員對特種光纖光柵的制備、表征及在光纖激光器中的應(yīng)用都開展了開創(chuàng)性的工作;參與指導(dǎo)博士生并協(xié)助完成光纖器件產(chǎn)業(yè)化;負責指導(dǎo)項目海外博士生;主導(dǎo)制作了表征超靈敏光纖等離子體傳感器的紫外刻蝕技術(shù)。
“對超短激光脈沖偏振動力學(xué)的研究，進而實現(xiàn)本征偏振可控的超快激光器是學(xué)界發(fā)展所迫切需要的，然而當前國際上對此卻鮮有研究。”談及熱愛的科學(xué)研究，牟成博總有說不完的話。他表示，創(chuàng)新是科學(xué)研究的生命力，為了推動我國光子技術(shù)的騰飛，今后他將繼續(xù)和團隊在一起，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，為國家的超快光纖激光器研究事業(yè)書寫更多輝煌。
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