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推動祖國的光子技術騰飛
來源： 科技文摘網站
作者：南皮縣產學研科技成果轉化服務中心
日期：
2017-03-26
導語：光子是傳遞遞電磁相互作用的基本粒子，屬于一種規范玻色子。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。光子學作為一門具有極強應用背景的新興學科，在其基礎上發展起來的光子技術已成為當代的熱門研究課題。隨著人們對光子技術在現代科學及工業中發揮的作用的了解日益加深，這門新型技術已經被越來越多地應用到科學、工業乃至社會生活的各個領域，世界各國也掀起了在本技術領域內的競爭浪潮。為了推動我國在光子技術領域內的發展，增強國際競爭力，上海大學通信與信息工程學院的牟成博教授做了大量工作，研究成果得到了國內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——上海大學通信與信息工程學院引進的中國國家青年千人牟成博教授成功研發了一種新型的中紅外脈沖光纖激光器。該系統采用中國傳統的 “陰-陽”結構，通過使用傳統的光纖耦合器實現了混合非線性環鏡的結構。而且進一步結合碳納米管復合材料薄膜作為腔內調制器，實現了小型化、高功率、穩定調Q脈沖的輸出。這種新型腔結構不但從原理上避免了采用中紅外波段昂貴的隔離器元件，還實現了雙通道相干中紅外脈沖的特調諧同步輸出。相關技術達到了國際領先水平。
尤為值得稱道的是，瑞士洛桑皇家理工(EPFL)曾于2015年同期提出了該種新型激光器結構，但是相關產品僅實現了線性的連續輸出。中紅外脈沖激光器是當前激光領域的研究熱點，主要應用于分子印跡的識別、大氣監測、頻率梳產生、非線性頻率變化以及太赫茲波產生等用途。但是傳統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生是國際上的難點。有科學家指出，利用光纖作為載體實現中紅外光纖脈沖激光器是未來的發展趨勢。
牟成博教授的這項研究與英國第二大光學中心阿斯頓光子技術研究所(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
多方向創新與探索
牟成博教授介紹，他們的研究是基于多方向的創新完成的。包括：1.觀測到螺旋吸引子并開創性地建立了理論模型。
牟教授創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被動調制器件，采用高摻雜光纖作為增益并對泵浦光進行了偏振輸出調控，應用高速偏振分析儀對產生的超短激光脈沖的偏振態變化規律進行了觀測。這對包括黑洞、流體力學、熱動力學、空氣動力學、光學以及湍流等在內的基礎科學的發展有重要的意義，尤其對基于混沌吸引子的隨機數產生、新型混沌保密通信系統起著至關重要的作用。通過這一方式，他們觀測到了由超短脈沖產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。
在此基礎上，研究組開創性地建立了基于增益介質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，對于非線性科學中混沌吸引子的認知起著至關重要的作用。不同于傳統的非線性薛定諤方程，僅針對矢量脈沖的耦合進行描述，本理論采用半經典模型，充分考慮了增益介質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結果發表在《自然》旗下刊物Light：Science&Application，審稿人認為他的工作在超快激光領域取得了巨大的進展，為激光科學、乃至廣義的物理學和數學提供了全新的認識并對未來產生巨大影響。
2.對矢量光孤子的偏振動力學研究。
矢量光孤子的偏振特性，特別是偏振動力學在國際研究上一直屬于難點問題。牟教授創新性地將碳納米管/聚合物復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在偏振邦加球上全面展示了單脈沖矢量光孤子的產生。英國劍橋大學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的試驗方法包括對超快光纖激光器的泵浦光偏振態及腔內雙折射進行調控。在此基礎之上，他同美
國OFS公司合作以先進傾斜光纖光柵為基礎共同開發了超高速偏振儀，是目前國際上通信波段的最高速1GHz。基于此，他又成功觀測到孤子束縛態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作出了開創性的研究。
3.10階諧波鎖模的穩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，在國際上實現了最高次的10階諧波鎖模的穩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合材料極難在大功率光纖激光器中發揮作用，他使用了N-甲基吡咯烷酮碳納米管溶液作為光學可飽和吸收體來產生超短脈沖。研究通過光纖微流體器件作為載體，降低了系統成本，解決了碳納米管溶液功能光電器件不穩定的國際難題，尤其實現了大功率、長時間穩定的全光纖輸出，為先進精密制造提供了技術保障。此外，牟成博還積極參與新技術的產化推廣，成功開發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進行技術推廣。
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器件實現了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的通信光纖上也可以實現在保偏光纖、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。這對實現大功率全光纖以及特種光纖激光器有著至關重大的意義。
他還通過優化光柵和激光腔的結構取得了原理上的突破，實現了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用處于國際領先地位。基于該種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、穩定的短脈沖光源無論對于基礎科研還是工業應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探索及應用都起著至關重要的作用。具有可控本征偏振態的超短激光脈沖是研究光與物質相互作用，探索納米級加工與量子應用的有力工具。
據此，牟教授介紹，對超快光纖激光器的偏振動力學及其應用的研究是我國領先國際超快激光研究的大好機會，未來他還將
帶領團隊繼續進行超短激光脈沖的偏振動力學及應用探索。
十年一劍書寫輝煌
牟成博教授的本科時代是在天津大學度過的。他2004年赴英國圣安德魯斯大學攻讀碩士學位，2006年考入英國阿斯頓大學攻讀博士學位，以優異的成績畢業以后，進入英國阿斯頓光子技術研究所擔任高級研究員。他2010年獲得英國物理學會(IOP)旅行基金;2015年獲得英國學術委員會(British Council)資助在俄羅斯科學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者。同年在教育部春暉教育資助下前往西南交通大學進行學術交流，并入選首批上海市“青年東方學者”人才計劃。2016、2017年，牟教授擔任美國光學學會(OSA)Optical Sensor會議的學術委員會成員，自2017年起擔任CLEOPR大會激光分會主席兼學術委員會成員。
一路走來，牟成博一直堅守在與新型光纖激光器、納米光子學及新型光纖傳感器等前沿領域相關的技術領域和應用研究戰線上。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年起作為工業光子學研究員對中英格蘭地區超過60余個公司提供基于超快激光及光纖傳感器方面的技術顧問，目前在國際大會和期刊上共發表及參與發表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等國際大會做學術報告。
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特種光纖與光接入網重點實驗室教授。這些年中，他先后參與建設了先進光纖器件及光子學系統平臺的建立，包括飛秒激光加工系統、紫外激光刻蝕系統等;與生命科學系一起共同建設生物光子學實驗室平臺;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用都開展了開創性的工作;參與指導博士生并協助完成光纖器件產業化;負責指導項目海外博士生;主導制作了表征超靈敏光纖等離子體傳感器的紫外刻蝕技術。
“對超短激光脈沖偏振動力學的研究，進而實現本征偏振可控的超快激光器是學界發展所迫切需要的，然而當前國際上對此卻鮮有研究。”談及熱愛的科學研究，牟成博總有說不完的話。他表示，創新是科學研究的生命力，為了推動我國光子技術的騰飛，今后他將繼續和團隊在一起，以創新為導向，為國家的超快光纖激光器研究事業書寫更多輝煌。
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