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华中科技大学光电学院陈云天教授深耕复杂介质光传输
发布时间:2024-04-07    来源:搜集汇总   阅读次数:25806 分享到:
如果说基础研究是科技创新的“总开关”,那么光学基础研究就是那个打开光电领域科技创新的“总开关”。
对华中科技大学光电学院教授,武汉光电国家研究中心及华中科技大学集成电路学院双聘教授陈云天来说,要打开光电领域科技创新的“总开关”,就需要将光学基础理论及计算光学的核心算法和我国光电产业的技术需求紧密结合,在其中的痛点、难点及前沿热点问题的研究上取得突破。
瞄准行业亟须解决的“卡脖子”问题,近年来,陈云天带领计算物理光学团队围绕复杂介质光传输的光学基础理论和底层数值算法的研究,在复杂介质光传输领域提出了一系列创新性理论和计算方法,为发展跨尺度光学系统的底层算法打下基础,并取得了多项突破,包括利用几何光学与波动光学融合的思想,借助数值计算工具,首次揭示了复杂介质光传输的非阿贝尔规范场效应及隐藏对称性;将对称性/变分原理及格林函数传播子技术等基本数学物理方法应用到光学数值计算中,发展了一系列原创性光学仿真算法与技术,在某些点技术工具上突破了光电领域常规商用仿真设计软件的底层限制等。

“年轻的研究者需要培养自己的学术品位,在‘能做什么’和‘想做什么’中做出独立的价值判断,进而在坚持不懈的研究中实现创新。”认清自己,瞄准远方,脚踏实地,埋首前行,陈云天和他的研究团队继续前行在突破光电领域重要关卡的攻关征程上。

揭秘微妙的“隐藏对称性”

对称性原理是现代物理学发展的基石,在人们揭示自然规律和建立物理定律的过程中起到了关键作用。而光学作为物理学的一个重要分支,对称性之于物理学的重要性同样适用于光学体系。

近期研究发现,光学体系存在微妙的隐藏对称性,导致了空间群无法解释的简并度和奇异的光传输现象。光学隐藏对称性涉及奇异光学、手征光学与拓扑光子学等多个前沿交叉领域,含有丰富的物理内涵和广阔的应用前景。鉴于对称性在物理学的各个领域(包括光学领域)的重要性和支配地位,系统性地研究光学体系的隐藏对称性的原理及构造方法,不仅进一步丰富甚至反哺物理学中隐藏对称性的研究手段和方法,还对增强光学与物质相互作用、奇异光学、拓扑光子学、光场调控都有十分重要的意义。然而,尽管其他物理体系的隐藏对称性研究有着悠久的历史和相对成熟的研究手段,但光学体系因缺乏有效的研究工具而进展缓慢。工欲善其事,必先利其器,揭秘微妙的“隐藏对称性”,为光学体系研究清除障碍,正是陈云天及其团队多年来在相关领域持续攻关的目的所在。

在陈云天看来,光学体系的对称性也会导致能带简并,利用对称性可以将复杂的光学问题化繁为简,这对于揭示光传输、散射的新原理和新现象,光场调控相关的新应用,以及光学器件的设计起到至关重要的作用。在国家自然科学基金的支持下,他带领团队就光学隐藏对称性及高阶简并问题开展了深入研究。前期的研究中,他们证实了一维周期光学体系存在着空间群无法解释的隐藏对称性,而这只是光学系统中的隐藏对称性现象的冰山一角,也意味着光学系统中存在着大量未被发现的隐藏对称性尚待挖掘和研究。但上述光学体系隐藏对称性的根源缺乏深入研究,且一维光学体系的研究方法和结论都无法直接扩展到二维、三维光学体系中。经过深入思考和学习,他带领团队初步证实,可通过借鉴分析力学的理论框架,在合理选取的相空间中用哈密顿正则方程重新表述麦克斯韦方程,进而系统全面地研究光学体系的对称性和隐藏对称性,在此基础上研究隐藏对称性诱导的高阶简并及相关效应与应用。

陈云天借鉴杨振宁先生的规范变换思想,在实空间引入规范变换,用几何光学思想处理波动光学问题:将光束等效为光粒子流(几何光线),将偏振等效为自旋,将复杂介质中光与物质的相互作用等效为作用在自旋态上的规范场,从而将复杂介质环境下光传输的麦克斯韦方程重新表述为光粒子流的方向和粒子自旋相互耦合相互作用的动力学方程,揭示复杂介质光传输的非阿贝尔规范场效应隐藏对称性,预测了光学震颤及光学非阿贝尔AB效应,为复杂介质中光传输理论分析和数值计算提供了新的解决思路。

研究成果获得了业界的肯定和赞誉。美国麦克阿瑟奖得主、麻省理工学院物理学马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)教授团队在《科学》(Science)上发表论文,首次在光学体系中验证了杨振宁先生的非阿贝尔规范场理论,而陈云天团队提出的光学非阿贝尔AB效应的干涉对比度测量方案得到教授团队在实验中采纳。芝加哥大学维泰利(Vitelli)教授发表在《自然》(Nature)上的论文指出,“非阿贝尔现象也存在于实空间问题中,如光学领域中理论预测和实验报道的非阿贝尔AB效应现象”,其中“理论预测”指的就是陈云天团队的工作,“实验报道”是指马林教授发表在《科学》论文上的实验。除此之外,陈云天团队的工作还多次被《自然》(Nature)、《科学》(Science)、《自然·光子学》(Nature Photoncis)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)等重要期刊引用。

陈云天团队的研究不仅加深了领域对光学体系隐藏对称性、高阶简并及相关光学现象的理解和认知,丰富了物理体系中隐藏对称性的研究内容和研究技术手段,也有望为奇异光学、光与物质相互作用增强、拓扑光场调控提供新理论和新途径。

架起理论和应用连接桥梁

科学理论技术唯有搬下象牙塔最终走向应用才能真正实现它的价值。虽然在基础理论研究领域深耕,陈云天和他带领的团队却一直心存一份为理论研究和应用研究搭建起一座座“彩虹桥梁”的梦想,而他们实现梦想的“钥匙”就是突破一系列光学仿真算法、技术瓶颈,打破光电领域仿真设计软件的限制,助力推动领域关键技术的自主可控。

在光学电磁理论研究领域孜孜不倦探索的过程中,陈云天始终有一个难题萦绕在的脑海中——如何将几何光学与波动光学两种截然不同的仿真技术统一在一起完成跨尺度光学结构的仿真?这个问题不仅技术上存在极大挑战,而且有着广泛的应用需求,在计算光刻技术、晶圆检测、激光雷达、AR/MR等多种跨尺度光学系统中都发挥基础性作用。心之所向,素履以往。将理论及技术研究与应用需求紧密结合,他带领团队踏上了攻坚克难的探索征程。

几何光学的分析方法是对波动光学的短波近似,然而是近似就会产生误差。准确性和速度在仿真计算、产品设计优化中常常是一对难以平衡的因素。尤其在几何光学领域,当透镜尺寸越做越小,快而不准的问题日益凸显,成为困扰相关领域科研工作者的瓶颈。采用波动光学的方法去分析,确实能解决诸如微纳结构这类较小结构的数值计算问题,倘若能够承担庞大的计算代价,算力足够或许能突破几个量级,然而面对跨尺度问题,从微纳至宏观,几何光学和波动光学在此时都显得捉襟见肘。

为突破相关领域的瓶颈,陈云天和团队竭尽全力寻求创新解决之道:一方面,通过物理与算法的融合开发,不断地提高波动光学的求解能力,向着几何光学的仿真极限迈进。他们尽可能弥合二者之间的鸿沟,在某些特殊的应用场景之中,例如微米到厘米的尺度下实现了几何光学与波动光学的联合仿真,使二者各司其职、各取所长,解决了跨尺度光学设备仿真的实际问题;另一方面,陈云天团队探索将几何光学和波动光学融合的物理思想应用到数值计算方法中,发展了光学数值计算“几何波”(ray-wave)的初步原型概念,从而将几何光线自动化区域分割和波动光学有限元区域分解技术相结合以实现一体化跨尺度光学仿真。

目前几何波算法还处于前期探索阶段,距离“一体化”跨尺度光学跨尺度仿真技术的成熟落地还有相当大的距离。陈云天曾说,科研犹如攀登,而一个个科研问题就犹如一座座高低不等的山峰。每个科研工作者心中都有一座“珠穆朗玛峰”,他们在珠峰的吸引之下踏上漫长的征途。当他们意识到这座高山不可轻易登顶,会将它牢记于心,随后将其他可以攀登的山峰踩在脚下,作为一个又一个拾级而上的新起点,终有一日,最初的那座山会变得不那么高耸险峻。对陈云天来说,几何波就是驱使他不断攀登的那座山。

有梦就有动力,伴随着一座又一座“高峰”被踩在脚下,陈云天和他带领的团队离助力应用的梦想又近了一步。近年来,他们将对称性/变分原理及格林函数传播子技术等基本数学物理方法应用到光学数值计算方法中,发展了一系列原创性光学仿真算法与技术,突破了光电领域常规商用仿真设计软件的底层限制。他们还参与了光电领域第一个光电设计自动化国家重点研发计划专项,利用慢包络技术解决了大纵横比硅光芯片射频器件有限元仿真难题。

2022年,工信部产业链协同重点任务之一是攻克“复杂光学元器件的建模与仿真软件”技术,陈云天团队作为联合研发团队的重要成员,承担光学电磁有限元核心算法和光学有限元仿真软件技术核心组件的开发,目前已完成对光子晶体、SPP波导及各类复杂2D波导等光学有限元核心技术攻关。这些研究成果对于实验光电仿真软件的独立自主可控具有重要意义,一定程度上打破国外的技术限制和封锁,对促进我国光电子器件及集成芯片的产业升级,优化产业结构和产业布局有现实意义。

注重培养独立的学术品位

优秀的青年科研人员总是有着一颗强大的内心,他们往往不满足于“小满即安”,也擅长在探索未知中坚守本心。

2007年,在浙江大学获得硕士学位后,陈云天就奔赴丹麦科技大学攻读博士学位,2010年获得博士学位后,他又继续在丹麦科技大学从事博士后研究。在丹麦将近6年的时间里,导师给了陈云天在研究上的充分信任,让他逐步建立起自己的个人研究风格。那段时间里,他积累了丰富的科研经验,并磨砺了自己的研究技能。通过这些沉淀,陈云天得以站在更高的起点上,为未来的科研事业打下了坚实的基础。

2013年,陈云天的人生翻开了新的篇章。他正式回国,开始了在华中科技大学光学与电子信息学院的教学生涯。在这个新的舞台上,他的角色定位也发生了根本的变化。从博士后到博士生导师,陈云天深知这不仅仅是称谓的改变,更是责任的加重。“那一刻我觉得自己真的是一名‘团长’了,需要站在全局的视角,决定团队的研究方向,选择合适的研究课题,带领团队在学术的道路上攀登新的高峰。”

刚回国时意气风发,但要想取得突破却并不容易。陈云天回国不久就遇到了一个让他感到矛盾的问题——在“能做的事情”和“想做的事情”之间,该如何做选择?

“两者是矛盾的,你能做的事情可能影响力就比较小,你想做的有影响力的工作,那个时候可能能力又有限,没法很好地去做。”面对这样的矛盾,陈云天意识到,自己仍需沉下心来学习、积累和提升,在此过程中确立自己想做什么事情,并把自己想做的事情给做成。此后,他通过到香港科技大学、伯明翰大学、中佛罗里达大学等进行短期交流访问,如饥似渴地扩大自己在科研上的涉猎范围和研究深度,实现了有关领域的创新。

作为一名青年研究人员,陈云天希望能将自己的个人学术经历和心得体会与学生分享。他知道现在的学生可能也会面临和他一样的“痛苦”,他会劝慰他们,想做还做不了的事情恰是推动自己进步的压力和动力。“我们要在能做的事情和想做的事情之间做选择,需要达到一个好的平衡,进而实现自己学术研究上的可持续发展。”

如今,陈云天的团队主要是博士生跟硕士生,师生组成了一个20人以内的研究团队,一方面做物理研究,一方面开展算法研究。对于团队的管理,陈云天鼓励个人的创新探索,对技术攻关类的科研工作,他认为不能给学生太多束缚。“在大方向下,他们对什么感兴趣,就积极鼓励他们去把问题搞清楚。”陈云天无论有多忙,都会积极参与学生的各种小组讨论,“在交流碰撞中寻找到科研的灵感,在交流碰撞中追寻真理”。他还会向学生提出一些猜想,进而鼓励他们去证明自己的猜想是对的还是错的。“学生会有很多自己的想法,而这些想法要得到尊重。”他说。

在培养学生方面,陈云天更在意培养他们独立的学术品位。“一个工作拿过来,不管别人怎么说,你对这个工作是好还是坏要有一个自己的独立评价和判断,通过这种方式来帮助他们建立起自己的学术品位、研究品位。”他认为,独立的学术品位意味着独立的价值判断,不能只是“跟风”,有了好的学术品位,才能独立地做出好的研究成果。

“想做的事情相当于你要跳起来才能够得着的,或者需要很努力地跳才能够得着,这个时候就需要很仔细地去规划自己的发展方向,因为一个人试错的机会不多,所以需要能够做出独立的、比较好的判断,找到一个适合自己的发展路径。”陈云天说,在学术研究中心态很重要,浮躁是学术研究的大忌,面对各种各样的诱惑、噪声,年轻的学生或学者需要坚持自己的理念和信念,有的时候甚至是要咬牙坚持,这是一个人成长过程中的必经阶段。

如今,陈云天正带领计算物理光学团队致力于研究光物理的前沿热点问题及光学仿真软件的工程化问题。其中,用热力学的方法开展多模光学非线性的研究,涉及非线性光学、热力学、统计物理和复杂系统,是一个多学科交叉的前沿问题,也是一个巨大的“金矿”。“尽管国际上做相关研究的人不多,但这一问题却非常重要,一方面能为热力学、统计物理及复杂系统等领域注入新的理解,另一方面有可能给非线性光学带来研究范式的转变,催生发展新型光源的独特机制。如果能在理论和实验上实现大的突破,就能够在世界上取得领先地位。”陈云天深知,每一次科学的突破,都离不开对未知世界的敏锐洞察和不懈探索。光物理学如同浩瀚的宇宙,充满未知,也充满奥秘。而他,愿做那个仰望星空且脚踏实地的人,用自己的智慧和毅力,探寻这一前沿领域的无尽秘密。

专家简介
陈云天,华中科技大学光电学院教授,武汉光电国家研究中心及华中科技大学集成电路学院双聘教授,博士生导师。2005年获天津大学学士学位,2007年获浙江大学硕士学位,2010年获得丹麦科技大学博士学位。2011—2013年在丹麦科技大学从事博士后研究,2013年入职华中科技大学光学与电子信息学院。研究方向主要包含研究复杂介质/结构中光传输和散射,光学基础理论/数值算法/仿真软件开发。入选国家青年人才项目,在纳米光子学及电磁学计算等领域发表SCI期刊论文60多篇。
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