1996年 二色激光准周期介电体超晶格研制成功

1996年，南京大学闵乃本院士领导的课题组研制出了同时能出两种颜色激光的准周期介电体超晶格，成功地验证了多重准相位匹配理论。国际光电子产业界的重要刊物《激光世界》报道：“南京大学固体微结构国家重点实验室的研究人员展示了准周期结构在非线性光学研究领域中一个可能的重要应用。”这项成果及后续工作获得2006年国家自然科学奖一等奖，也是自1999年国家改革奖励制度以来，内地高校独立完成的项目获得的第一个自然科学奖一等奖。

介电体超晶格—激光变色器

激光的发明是20世纪60年代初的一项划时代意义的科学技术成就。40年来，激光科技深入高科技的各个领域，从便携DVD到宽带光纤通信网络，从小型家庭影院到惯性约束受控热核聚变，处处都有激光器的身影。这些激光器颜色不同、功能各异，是高技术产品不可或缺的光源，在信息的读取、存储、传输和能量的控制等方面起着关键作用。

如果解剖一下这些激光器，会发现其中都有一个核心部件，它由一块透明材料构成，被称为非线性光学晶体，它能将激光的波长缩短一半，即频率增加一倍（倍频），将激光从一种颜色转变成另一种颜色。因为不同颜色的激光有不同的用处，所以非线性光学晶体使得激光的应用无处不在。

▲南京大学闵乃本院士和团队中的青年研究人员

非线性光学晶体有不同种类，其中有一种被称为介电体超晶格的尤为神奇。在显微镜下，人们可以看到这种超晶格晶体内部排列成整齐的周期格子，正是这种特殊的格子使不同颜色的激光在晶体内部能以相同速度传输，通过“准相位匹配”这支接力棒将一种颜色的激光转换成另一种颜色，“倍频”就是其中的一种。这一方法被称为“准相位匹配”，是著名的非线性光学奠基人、诺贝尔物理学奖获得者布洛姆伯根和他的学生在1962年发表在美国《物理评论》杂志上的一篇论文中提出来的。该理论提出后，很长时间没得到相关实验结果。直到20世纪70年代末，南京大学和国际上少数几个研究组才在实验中观察到由准位相匹配实现的激光倍频。

寂寞探索求突破

20世纪80年代，国际上这个研究领域比较沉寂，因为超晶格晶体制备技术始终没有突破。人们普遍认为这种材料虽好，但难以实际应用，理论研究也陷入低谷。就是在这种形势下，正在着手组建自己研究团队的闵乃本却偏偏将“介电体超晶格”确定为团队今后的主攻方向。他告诫他的团队成员（大多是被他吸引过来的研究生）：要能耐得住寂寞，要准备在相当长的时间内坐冷板凳。闵乃本回忆道：

当时我和我的同事坚信这是一个广阔的领域，材料制备有困难，我们就先发展理论。1984年材料物理研究领域爆出重大新闻，即科学家发现了本以为在自然界中不存在的“准晶体”，这是物质存在的另一种形态。这一发现启示我们，是否也可以构造出人工“准晶体”，于是我们尝试将准周期结构引进介电体超晶格。

闵乃本和当时还是他的研究生，现在已是南京大学物理学教授的朱永元一道，开始了在这一领域的开拓。他们惊喜地发现准周期介电体超晶格在声学、光学领域都有一系列新颖性质。特别是在非线性光学领域，如果把准相位匹配理论推广到准周期超晶格中，就可能在一块准周期超晶格中实现将一种颜色激光转换成两种、三种甚至更多种颜色激光，这在常规晶体和周期光学超晶格中都是不可能完成的。

1990年，他们已构建出“多重准相位匹配”的理论框架，论文发表在美国《物理评论B》上。出人意料的是，这篇文章并没有得到国际同行多少响应。后来闵乃本想通了，理论预言要得到别人的承认，没有有说服力的实验验证不行，他们决定用实验来证实这一理论。可当时连周期结构的超晶格都很难制备，更何况准周期超晶格，研究“瓶颈”依然是超晶格的制备。尽管在发展理论的同时，闵乃本已安排研究组的几位成员在材料制备上寻找突破口，但此时仍还处于摸索之中。

“黄金分割”带来的惊喜

20世纪90年代初，闵乃本在境外访问时读到一篇日本一个研究组研制准相位匹配光波导的论文，立刻意识到该论文的重要性，并及时传真回这篇论文。团队成员从论文中获得了灵感，根据半导体平面工艺结合铁电晶体所具有的极化反转特性，发展出了“室温电场极化”技术。他们用掩膜技术在晶体表面光刻成微型电极，通过在电极上加上高电压，终于将晶体中的铁电畴按正负极性有规律地排列起来。

1996年，他们采用这种技术成功研制出了第一块具有斐波那契序列的准周期超晶格。这一过程的实现前后花了三年多时间。技术上的一小步推动了科研上的一大步。为什么要起“斐波那契”这一令人费解的名字呢？这与一个兔子繁殖的故事有关：斐波那契是13世纪意大利的一位数学家，他发现前后两代兔子总数量之比逼近著名的黄金分割数（1.618），在准周期超晶格中，两种基本格子的个数比也接近这一数字。

▲首次在一块准周期超晶格中实现了激光高效三倍频

也许是黄金分割数给他们带来了好运。祝世宁、朱永元等将这块超晶格用于激光频率变换实验，当他们将一束波长为1.57微米红外激光直接入射到这块超晶格中时，明亮的绿色激光（波长为0.523微米）从超晶格的另一端面射出，出射光的频率是入射光的3倍，波长是入射光的1/3，转换效率高达26%，同时还产生了波长为0.78微米的倍频光。这就意味着将一种颜色激光转换成两种颜色激光的准周期超晶格在我国研制成功了。这一成果在国际最有影响的美国《科学》杂志上一经发表，立刻引起很大反响。与几年前不同，这次美国物理学会、光学学会分别邀请闵乃本到这两个学会的学术年会上报告这一进展。国际著名的光电子产业杂志《激光世界》（LaserFocusWorld）也注意到这一重要进展，编辑在该杂志的“Newsbreak”栏目中作了如下评述：

这项新结果证实了高次倍频可以通过几个准相位匹配在一块二阶非线性晶体中产生，展示了准周期结构在非线性光学研究领域一个可能的重要应用。

随着二色激光准周期介电体超晶格研制成功，超晶格的应用前景也逐步明朗，国际上在这领域的研究日趋活跃，各国著名的研究机构纷纷开始介入这场激烈的竞争。闵乃本清楚地意识到这一成果的巨大学术价值和应用前景，他说：“我们现在的工作既有理论预言又有实验验证，可以作为新起点，但是没有一定示范性的器件做出来，还不能令人信服。”他们一方面加紧申报国际专利，一方面组织原型器件的研制。

求索勇进 奉献不变

经过几年的努力，研究组终于在2005年用准周期超晶格研制出了一台能模拟出白光效果的红、绿、蓝三原色激光器。这台激光器只使用了一块Nd：YAG激光晶体和一块钽酸锂超晶格，却得到了红、绿、蓝三种颜色的激光输出。一台完成了三台的功能，终于展示出了“准周期结构在非线性光学研究领域一个可能的重要应用”。这标志着闵乃本在十几年前所提出的多重准相位匹配理论得到了完全的证实。美国《光学快报》及时报道了这一结果。

2007年2月27日，闵乃本院士和他的研究团队因在“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”研究上的突出贡献，被授予中国自然科学界科研成果的最高奖项—2006年国家自然科学奖一等奖，而在此之前，这个奖项已经空缺了两年。

经过多年的探索，介电体超晶格已经从最初的原理概念演变成现今有着重要应用价值的材料体系。它的内涵也在不断扩展，从最初为了验证光学中的一个预言—准相位匹配高效激光倍频，发展到今天实际上包含三种不同功能的超晶格材料：光学超晶格、声学超晶格和离子型声子晶体。它的发展经过提出基本概念，建立基础理论，验证基本效应，直到现今还在不断拓展的实际应用，形成了一条完整的创新链。

▲系统的研究成果发表在国际高水平学术刊物上

在声学领域，声学超晶格超高频体波谐振器、换能器和滤波器已经在无线通信网站找到实际应用。在激光领域，光学超晶格的电光、声光调控可用于研制结构更加紧凑的全固态脉冲激光器。光学超晶格则正在逐步取代LBO、BBO和KTP等常规非线性晶体，作为首选用于各种量子光学实验和量子通信、量子信息处理。但目前的进展离在光子芯片上完成通用量子计算的目标仍然相距甚远，还有许多重要技术需要突破，其中最为关键的是单光子可控存储。

“凡是过去，皆为序章”，未知世界的探索永无止境。介电体超晶格的研究成果凝结着老一辈科学家的努力与奉献，也包含着团队中所有年轻人的心血和期待。值此改革开放40年之际，回顾走过的道路，展望未来的发展，深信只要我们中国的科研人员能不忘初心，牢记使命，坚持科学精神和科学态度，脚踏实地，努力奋斗，中国的科学事业将永远是春天。

（图文/中国科学院院士 祝世宁）