原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學(xué)

記者 | 郭巳秋

編者按

今夏，《Light: Science & Applications》公布了2019年度優(yōu)秀論文、優(yōu)秀審稿專家、高被引論文和熱門下載論文。清華大學(xué)付星的綜述文章同時入選2019年度優(yōu)秀論文和熱門下載論文，近期，他接受了《Light》編輯郭巳秋的專訪，回顧了光學(xué)渦旋發(fā)展的30年，并討論了對于光學(xué)渦旋方向科研攻關(guān)的想法；同時，付星老師還分享了在逆水行舟不進(jìn)則退的學(xué)術(shù)競爭中作為青年科學(xué)家對于科學(xué)研究的態(tài)度。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》發(fā)起的系列高端人物訪談。這一期，我們很榮幸能邀請到國內(nèi)頂級學(xué)府的青年科學(xué)家翹楚——付星。本期采訪展現(xiàn)一個有理想有抱負(fù)的青年科學(xué)家的學(xué)術(shù)世界，以及作為青年科學(xué)家對于科學(xué)研究的一腔熱忱。

付星 副教授

付星，清華大學(xué)精密儀器系特別研究員、副教授、博士生導(dǎo)師，光子測控技術(shù)教育部重點實驗室副主任，MIT訪問學(xué)者。入選國家“萬人計劃”青年拔尖人才、中國科協(xié)青年人才托舉工程（領(lǐng)域首批）、北京市優(yōu)秀人才。獲教育部自然科學(xué)二等獎、瑞士Chorafas青年科學(xué)家獎（設(shè)獎21年來中國高校首位）、中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎、中國儀器儀表學(xué)會金國藩青年學(xué)子獎、清華大學(xué)教育教學(xué)成果一等獎、清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文一等獎等榮譽(yù)。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會光學(xué)材料專委會委員、中國激光雜志社第二屆青年編委。他在《Light》、《Optica》、《IEEE TVT》等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，入選ESI熱點論文、高被引論文、期刊封面文章。主持裝發(fā)十三五重點預(yù)研、國家重點研發(fā)計劃子課題、國家/北京市自然科學(xué)基金面上項目等課題。主要從事全固態(tài)激光、結(jié)構(gòu)光場調(diào)控、單光子探測等技術(shù)的研究。他開辟了新體制巨脈沖激光技術(shù)路線，國際上首次實現(xiàn)了室溫50J級重頻納秒輸出，單位體積輸出提升數(shù)百倍，適用于高機(jī)動平臺。提出了“彈流”激光器創(chuàng)新構(gòu)型，國內(nèi)率先實現(xiàn)了數(shù)千瓦的液流直接冷卻激光輸出。建立了多奇點拓?fù)溲莼碚摚瑢崿F(xiàn)了特殊多奇點光場的表征與定制，首次產(chǎn)生了新型多邊形渦旋光束、具有多重自由度耦合態(tài)的矢量渦旋光束。面向自動駕駛、超遠(yuǎn)程探測應(yīng)用，提出了單光子智能感知策略，實現(xiàn)了單光子一體化激光雷達(dá)對高速運(yùn)動目標(biāo)的抗動態(tài)串?dāng)_測距和高精度模式識別。

深度專訪

《Light》記者：付老師，您去年發(fā)表在Light上的綜述文章《Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities》【】目前訪問量已達(dá)1.6萬，而且該篇綜述也入選了近期公布的2019年度Light優(yōu)秀論文，熱門下載論文，我有幸是該篇稿件的managing editor，見證了稿件錄用的整個過程，該篇綜述文章體量巨大，文章圖片眾多，子圖無數(shù)，需要搜集大量圖片版權(quán)許可，這還僅僅是圖片引用部分，相信您在準(zhǔn)備、撰寫該論文的過程中，一定還經(jīng)歷了更多的艱難，請問是什么樣的契機(jī)讓您下定決心寫這樣一篇耗時耗力的綜述文章，并最終選擇投稿給Light呢？

付星：謝謝您的問題。這篇綜述文章是我們課題組與深圳大學(xué)袁小聰教授團(tuán)隊通力合作下構(gòu)思、撰寫完成的。2019年恰逢光學(xué)渦旋誕生三十周年，回顧這三十年可謂群星璀璨、成果斐然，國內(nèi)外的眾多學(xué)者在這一前沿、熱點領(lǐng)域做出了標(biāo)志性的工作和突出的貢獻(xiàn)，不勝枚舉，其中我們課題組也有一些具有特色的工作，特別是多奇點可調(diào)諧光場操控方面。我們盡最大努力，回顧了光學(xué)渦旋的基礎(chǔ)理論、調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用的主要進(jìn)展，對發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了細(xì)致梳理，介紹了若干亮點工作，一方面是對于三十周年的紀(jì)念和獻(xiàn)禮，另一方面是對未來的思考和暢想，在這個歷史機(jī)遇期，期待更多同行提高對多維度綜合調(diào)諧渦旋光源的重視，大踏步地拓展科學(xué)理論和應(yīng)用。從我個人而言，我平時很喜歡讀綜述類文章，尤其是對于亟需深入了解的方向，讓我在“摸著石頭過河”之前，能快速地知道石頭在哪兒。每一篇重要綜述中作者精心篩選的上百篇文獻(xiàn)就像一個個矢量，它們“張成”的高維空間條理分明，將奠基性成果、衍生技術(shù)及應(yīng)用一一呈現(xiàn)，幫助我看清該方向的需求與瓶頸、發(fā)掘自己的研究興趣點。本文投稿給Light是大家非常一致的想法。Light常年居于國際光學(xué)期刊前三甲，也是中國科技期刊卓越行動計劃的“領(lǐng)軍期刊”，享有很高的國際聲譽(yù)，而且影響力還在不斷提升，發(fā)表在Light上對于擴(kuò)大綜述的受眾和關(guān)注度大有裨益。文章從投稿至發(fā)表的過程中，Light編輯部的專業(yè)和貼心讓我印象非常深刻。記得第一輪審稿后收到5位審稿人的大量寶貴意見，編輯部在給出Major Revision決定的同時，還附上了近1000字的意見分析和具體解讀，并提出了補(bǔ)充修改建議，對于提升文章質(zhì)量起到了極大的助力。文章接收后，編輯部對圖片格式效果、圖片版權(quán)許可、文獻(xiàn)引用順序等進(jìn)行嚴(yán)格要求和把控，對龐大文字體量進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)精準(zhǔn)的校對，我們在一次次的版本更新和與編輯部的互動中，作品也被打磨的更加成熟和專業(yè)。綜述文章發(fā)表后受到了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和支持，乃至Light的年度榮譽(yù)肯定，讓我們感到莫大的欣慰和鼓舞，在此也由衷感謝編輯部在幕后的辛勤付出。

優(yōu)秀論文證書熱門下載論文證書

《Light》記者：我們知道科研圈的競爭壓力非常大，尤其您在清華大學(xué)這樣的頂級學(xué)府，學(xué)術(shù)氛圍十分濃厚，同時也代表著您身處在一個不進(jìn)則退的環(huán)境中，您是如何在這樣的壓力下潛心用這么多精力去做一件事的，您對科學(xué)研究是怎樣的態(tài)度。

付星：我覺得科學(xué)研究是一場追尋真理、獲得新知的無止境的探險。好奇心、求知欲、責(zé)任感是探險者的動力來源，實事求是、踏實嚴(yán)謹(jǐn)、甘于寂寞、迎難而上、愈挫愈勇是探險者的自我修養(yǎng)，懷疑發(fā)問、大膽創(chuàng)新、理性思考、實踐檢驗是工具包里的幾種武器。同時，我們作為高校教師，還要對一同探險的學(xué)生負(fù)責(zé)，指導(dǎo)、陪伴他們渡過研究生階段的修煉和磨難，讓他們能夠獨當(dāng)一面，走好自己未來的探險之路。在我眼中，清華不單是有競爭壓力的環(huán)境，更是具有深厚學(xué)術(shù)底蘊(yùn)、一流學(xué)術(shù)文化和學(xué)術(shù)品味的高起點舞臺，通過政策鼓勵青年教師脫穎而出，讓每個人充分發(fā)揮展示學(xué)術(shù)的才智。感謝母?！白詮?qiáng)不息、厚德載物”校訓(xùn)的熏陶和精儀系“求精”風(fēng)骨的深刻影響，對于我而言，在一件事上深耕所帶來的成就感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)風(fēng)火火、完成任務(wù)式的做完十件事，而且有意思的是，前者往往會使壓力離我更遠(yuǎn)。同時，我所在的先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊在科研攻關(guān)、項目申請、學(xué)生培養(yǎng)等多方面給予了我很多扶持，讓我能夠輕裝上陣。自2006年攻讀博士至今我一直在這個團(tuán)結(jié)向上的集體中成長，也見證了團(tuán)隊的發(fā)展壯大。團(tuán)隊在固體激光、光纖光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、探測成像等方向突破了多項“卡脖子”技術(shù)，為國家重大項目和工程做出了重要貢獻(xiàn)。2018年我們獲批建設(shè)“光子測控技術(shù)”教育部重點實驗室，2020年入選了國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊。優(yōu)秀的團(tuán)隊為我提供了堅實的后盾和廣闊的發(fā)展平臺。

團(tuán)隊部分成員合影（左一為付星，左四為團(tuán)隊的學(xué)術(shù)帶頭人柳強(qiáng)教授）

《Light》記者：您在光學(xué)渦旋方向科研攻關(guān)的選題上是如何考慮的？

付星：在科研選題上，我們始終聚焦于渦旋光作為“光源”的屬性，發(fā)揮主動式、緊湊型、強(qiáng)拓展性的優(yōu)勢，從應(yīng)用需求出發(fā)，立足于兩個基本創(chuàng)新點：第一，在已有的調(diào)控自由度上，追求調(diào)諧的靈活性：多粒子操縱、顯微成像等應(yīng)用對于空間結(jié)構(gòu)光源的要求，不僅限于單奇點的拓?fù)浜蓴?shù)可調(diào)諧，更重要的是多奇點軌道角動量分布的調(diào)控。沿著這一思路，我們提出了多奇點的分象限獨立控制方法，建立了廣義結(jié)構(gòu)高斯光束族及其多奇點拓?fù)溲莼碚?，實現(xiàn)了特殊多奇點光場的表征與定制，入選了2019年度JOSAA期刊熱門下載Top20。此外，我們還利用Yb:CALGO 晶體的寬帶增益特性，實現(xiàn)了軌道角動量和波長的大范圍聯(lián)合調(diào)諧，這是新型超快激光晶體在可調(diào)諧渦旋光源的首次、也是非常成功的嘗試，為未來可調(diào)諧結(jié)構(gòu)光源的研究提供了新思路，獲得了CLEO 2018最佳張貼報告獎。第二，創(chuàng)造全新的調(diào)控自由度。在摸索的過程中，量子相干態(tài)結(jié)構(gòu)光模式所具有的“波跡二象性”讓我們著迷——利用量子相干態(tài)中概率波包與粒子經(jīng)典運(yùn)動軌跡相互耦合的原理，在經(jīng)典結(jié)構(gòu)光中構(gòu)造與之類似的相干態(tài)形式的空間波包模式，從而使結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生“波跡二象性”。我們基于寬帶頻率簡并諧振腔構(gòu)造了特殊的“準(zhǔn)相干態(tài)”，首次產(chǎn)生了新型多邊形渦旋光束，并給出了基于衍射晶格圖案的復(fù)雜軌道角動量探測方法；發(fā)現(xiàn)了渦旋晶格獨特的橫鎖模效應(yīng)，實現(xiàn)了晶格各奇點形態(tài)的可控轉(zhuǎn)換；提出了基于廣義相干態(tài)的邦加球模型，突破了本征態(tài)邦加球的維度限制而能夠廣義表征高維度結(jié)構(gòu)光。更進(jìn)一步，我們成功激發(fā)了諧振腔的混合波跡軌道疊加態(tài)，首次突破了傳統(tǒng)矢量渦旋光的軌道角動量、自旋角動量的雙自由度調(diào)控限制，產(chǎn)生了軌跡簡并度，軌跡振動相位，軌跡組合數(shù)等全新的可操控自由度，從此光束結(jié)構(gòu)可以模擬多粒子多自由度的糾纏態(tài)，使得發(fā)展高維多通道大容量的量子和經(jīng)典光通信技術(shù)成為可能。該工作與南非科學(xué)院院士Andrew Forbes教授團(tuán)隊合作完成，入選了Optica期刊的封面文章【】。我們團(tuán)隊的申藝杰博士在其中做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，以其出色的科研成果入選歐盟瑪麗·居里學(xué)者，目前在英國南安普頓大學(xué)知名的光電子中心（ORC）繼續(xù)從事結(jié)構(gòu)光研究。

付星老師在做報告

《Light》記者：由于您的這篇文章我們Light也十分重視，后期邀請了新聞撰稿人為綜述撰寫評論，國內(nèi)多個微信公眾號、國外科學(xué)新聞門戶網(wǎng)站 EurekAlert!等多家社交媒體也對這一工作進(jìn)行了報道。您作為作者，請問您對這樣的宣傳方式滿意嗎，您認(rèn)為這樣的方式是否真實有效的對文章起到了宣傳的效果，您對我們Light以后宣傳方法有什么建議嗎？

付星：我認(rèn)為Light在文章的宣傳上做的相當(dāng)用心，幾個小細(xì)節(jié)包括：文章發(fā)表后第一時間推薦宣傳渠道，公眾號推送內(nèi)容將文章全文翻譯萬余字（這次推送還登上了中國光學(xué)學(xué)會當(dāng)月的簡訊）等等，這都是綜述得以迅速推廣的重要原因。文章在2019年10月見刊，半年之內(nèi)的引用超過30次（在線發(fā)表或Arxiv預(yù)印本），目前在Google Scholar被引用74次，入選了ESI的熱點論文、高被引論文。我們也陸續(xù)收到國際上多個知名團(tuán)隊對文章的積極反饋郵件。關(guān)于宣傳方面的進(jìn)一步提升，一個不成熟的想法是建議Light“占領(lǐng)”其他交叉領(lǐng)域的宣傳平臺進(jìn)行延伸推廣。

入選ESI 熱點論文、高被引論文

《Light》記者：我們知道，您現(xiàn)在的研究方向不光有光學(xué)渦旋，還有固體激光、單光子探測，您是如何規(guī)劃自身未來科研發(fā)展的？因為現(xiàn)在不少青年學(xué)者也具有不止一個研究方向，面對的難題是如何整合自身的資源，發(fā)揮各個研究方向的優(yōu)勢，同時又能不做表面功夫。

付星：這個難題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，我也在努力求索中，在這里分享我目前的規(guī)劃情況供參考。我最早的研究方向是固體激光技術(shù)，從博士階段就開始做這個題目，面向定向能應(yīng)用，研究功率提升機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)。針對強(qiáng)激光的熱管理，提出了“彈流”創(chuàng)新構(gòu)型，系統(tǒng)研究了液流致光束畸變的動力學(xué)特性，實現(xiàn)了數(shù)千瓦的液流直接冷卻激光輸出【】；針對納秒脈沖激光的能量提升和系統(tǒng)緊湊化難題，提出了分布式動鏡放大鏈的創(chuàng)新技術(shù)路線【】，首次實現(xiàn)了室溫小型化的50J級納秒巨脈沖系統(tǒng)。第二個研究方向就是前面介紹的渦旋光場調(diào)控技術(shù)，雖然與經(jīng)典激光器相比，增加了軌道角動量的特殊屬性，但光源設(shè)計理念、調(diào)試方法是一脈相承，因而算是半個“舊相識”。第三個方向是單光子探測技術(shù)，其能量水平與強(qiáng)激光方向是兩個極端，看起來跳躍性比較大。但實際上激光的“收”和“發(fā)”密不可分。即使在發(fā)射端擁有強(qiáng)激光源，被遠(yuǎn)距離目標(biāo)散射后，接收到的回波也可能僅為暗弱的光子級別，因而具有高靈敏度的單光子探測技術(shù)至關(guān)重要。正是這一點吸引我開展了相關(guān)研究，面向自動駕駛、以及暗弱/隱身目標(biāo)的超遠(yuǎn)程探測應(yīng)用，提出了單光子智能感知策略，實現(xiàn)了單光子一體化激光雷達(dá)對高速運(yùn)動目標(biāo)的抗動態(tài)串?dāng)_測距和高精度模式識別，發(fā)表于IEEE Transactions on Vehicular Technology【】。此外，非視域單光子成像的工作正在與清華丘成桐數(shù)學(xué)中心的團(tuán)隊合作攻關(guān)；“渦旋+單光子”的組合還有高維量子糾纏、結(jié)構(gòu)光探測等激動人心的工作等待解鎖。總之，我所規(guī)劃的各研究方向之間具有很強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系，否則自己較難駕馭。然而我認(rèn)為，不管是哪一個研究方向，基本功課都要做足——與該方向的學(xué)者進(jìn)行“二次元”和“三次元”的溝通。前者就是勤讀文獻(xiàn)，在紙面上碰撞出思想的火花；后者就是從面對面的交流中尋找靈感與共鳴，例如2019年我們舉辦了清華結(jié)構(gòu)光與角動量學(xué)術(shù)論壇，與九所高校的知名學(xué)者開展了熱烈討論，同年我們還舉辦了重點實驗室青年學(xué)術(shù)論壇，邀請了多個國防重點單位的百余人交流，受益良多。

激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇發(fā)言

《Light》記者：相信和我一樣，很多讀者都非常感興趣，作為國內(nèi)頂級學(xué)府的年輕博導(dǎo)，如何平衡繁重的科研工作和生活，您科研工作以外的放松的方式是什么。

付星：其實科研沒有下班，工作的甲方和乙方常常都是自己，回到家還是會擠時間自覺上崗。放松方式就是陪女兒（今年六歲）聽歷史故事、讀繪本、看動畫片；有時和她聊聊光學(xué)，她對我的研究很感興趣。

《Light》記者：有什么話是想對青年學(xué)者們說的，既是自勉也是對他們的鼓勵。

付星：常懷好奇之心，把興趣當(dāng)職業(yè)是一種幸福。

幸福做科研的Prof. Xing Fu

參考文獻(xiàn)

1. https://www.nature.com/articles/s41377-019-0194-2

2. https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-7-820

3. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-15-18421

4. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21981

5. https://ieeexplore.ieee.org/document/9056530

《Light》記者介紹

郭巳秋，現(xiàn)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（長春光機(jī)所）員工，卓越計劃領(lǐng)軍期刊《 Light: Science & Applications》科學(xué)編輯，《Light》子刊《Light：AdvancedManufacturing》（《LAM》） 科學(xué)編輯。參與《LAM》期刊創(chuàng)刊，負(fù)責(zé)期刊稿件處理、排版、印刷等出版工作。具有較深厚的科研背景，曾參與多項科研項目，并作為項目分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，發(fā)表SCI、EI等多篇學(xué)術(shù)文章。

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