弱光非線性光子學教育部重點實驗室

學科領域分類：材料與工程（2004.4-2006.11）

信息科學 （2006.11）

博士後流動站學科：物理學

博士學位點學科：物理學（光學、凝聚態物理、光子學與技術）、材料科學與工程（材料物理與化學）

碩士學位點學科：物理學（光學、凝聚態物理、光子學與技術）、儀器科學與技術（測試計量技術及儀器）、材料科學與工程（材料物理與化學）

南開大學（泰達應用物理科學學院，物理學院）

建設地點：南開大學泰達應用物理學院（天津經濟技術開發區第三大街南開大學泰達學院七區 300457）

在 LiNbO3 晶體材料的製備與優化，抗光折變機制，光折變非線性和光全息存儲器等方面的研究在國際上已有一定的影響，論文累計已被國內外同行它引 700 餘人次。自 2001 年以來，獲得省部級以上獎項 11 項（國家自然科學二等獎一項，國家自然科學四等獎一項，國家發明三等獎與四等獎各一項，國家教委科技進步三等獎二項；天津市科技進步一等獎一項、二等獎二項、三等獎一項；天津市自然科學一等獎一項，天津市自然科學二等獎一項）；“ 863 ”專家委員會鑑定成果 1 項；國家發明專利 15 項；美國發明專利 2 項；實用新型專利 2 項；出版專著 7 部；發表學術論文 400 餘篇， SCI 、 EI 收錄 350 餘篇（僅 2004 年和 2005 年發表學術論文 229 篇，其中 70 餘篇發表在影響因子在 1.5 以上的國外學術刊物上）；有多名教師被先後應邀在國際會議上做邀請報告。

1、實驗室研究方向與主要研究內容 ^[1] 

本實驗室主要開展弱光非線性光子學材料的先進製備技術及相關器件的研究工作，結合本實驗室的研究基礎，針對材料缺陷調控技術及弱光非線性光子學效應研究、色散工程與量子微結構材料、三元系非線性光子學晶體生長技術優化研究和薄膜光電子材料相結構調製技術等研究方向，集中優勢，開展研究工作，以解決材料缺陷模型、光子與物質的量子相互作用等基本物理基礎問題，開發材料缺陷控制技術、可控量子微結構製備技術等材料先進技術，開發實用型的弱光非線性光子學材料、器件並推動其產業化。

2、實驗室近期主要研究內容

（1） Photonics Material and Advanced Fabrication Technique

光子學材料與先進製備技術

A. 材料缺陷調控技術與弱光非線性光子學效應研究

從硅材料的發展歷史可知，缺陷研究與調控對於器件性能調控具有十分關鍵的作用。沒有多年來對硅單晶缺陷結構的深入研究及隨後開展的半導體缺陷調控技術的發展，就不可能有當今微電子、大規模集成電路等的蓬勃發展。弱光非線性光子學材料的發展也需要走同樣的道路。本方向通過研究材料的缺陷微結構，確定材料（如鈮酸鋰、鉭酸鋰、 BCT 等）中本徵缺陷、非本徵缺陷對材料弱光非線性光子學特性的影響。開發高效光子學材料缺陷調控技術（如摻雜工程等），通過對缺陷的調整，優化材料弱光非線性光子學性質，開發具有優良弱光非線性光子學特性的新材料。由此，為非線性光子學材料的研究提供實驗與理論依據，指導新型光子學材料的開發和優化，發現新的弱光非線性光子學效應及其應用。主要研究內容包括：

弱光非線性光子學材料本徵缺陷與非本徵缺陷微結構研究；

摻雜工程、處理工藝、光與射線輻照等缺陷調控技術研究；

新型光子學材料中弱光非線性光子學性能與缺陷結構研究；

以鈮酸鋰晶體為代表的弱光非線性光子學材料缺陷能帶理論與缺陷調控技術。

B. 色散工程與量子微結構材料

光子學材料的弱光非線性特性主要依賴於材料的介電特性。本方向研究光誘導技術、電誘導技術等高效色散工程方法，調控光子學材料的介電性質，在光子學材料中製作針對光子的量子微結構。研究光子學量子微結構中的弱光非線性效應，深入探討光子與物質之間的相互作用，研究量子相干系綜中的巨光學非線性。本方向使弱光光子學及材料的研究由體材料深入到量子效應起主導作用的微結構層面，從而加深我們對光子本性及光子與物質相互作用的物理機制的認識，並有助於我們開發新型光子學材料與器件。本方向主要研究內容包括：

以鈮酸鋰晶體為材料平台的色散工程技術與新型光子學量子器件材料研究；

基於電、光致疇反轉與微疇產生，光致晶化和光致玻璃化等手段的光子學量子微結構材料製備技術與色散工程的研究；

新型量子相干系統的構造技術與材料巨光學非線性特性研究；

弱光非線性光子學缺陷微結構、缺陷控制。

研究弱光非線性光子學材料中的缺陷微結構、缺陷控制及其對光電功能的影響作用，為非線性光子學材料的研究提供實驗與理論依據，指導新型光子學材料的開發和優化。內容包括： （1）弱光非線性光子學材料本徵缺陷與非本徵缺陷微結構研究； （2）摻雜工程、後處理工藝、光與射線輻照等缺陷調控技術機理與弱光非線性光子學特性研究； （3）弱光非線性光子學性能與缺陷能帶理論計算等。

C. 三元系非線性光子學晶體生長技術優化研究

三元系晶體是非線性光子學材料的重要分支（如鈮酸鋰、鈮酸鉀、鉭酸鋰、偏硼酸鋇、鈦酸鋇等）。本方向以鈮酸鋰晶體為切入點，研究三元系非線性光子學晶體生長中缺陷動力學，探索三元系晶體中雜質佔位演化過程，研究晶體生長原料分凝效應調控技術。通過研究，開發大尺寸光學級三元系非線性光子學材料生長技術。該方向的研究成果有助於非線性光子學晶體的進一步商業化。主要研究方向包括：

三元系晶體中雜質佔位演化過程與晶體生長原料分凝效應調控技術等晶體生長關鍵技術；

大尺寸光學級三元系非線性光子學材料生長技術。

D. 高性能低維光子學材料的製備及功能特性的研究

本研究從光子學材料的功能性出發，採用新的科學思想和先進的製備技術，通過多相摻雜、複合等技術調控，設計、構建和研製新型結構高性能、高效率低維光子學功能材料。利用先進的科學儀器和表徵技術，從微觀分子水平研究新型低維光子學功能材料晶體結構、能帶結構、表面微結構和光致表面、界面穩態、瞬態電荷轉移、馳豫過程，揭示其功能性機理。建立和完善製備新型光子學功能材料的新技術，並開展其實際應用的探索性研究。

主要研究內容：

研究製備工藝和調控技術對光子學材料的性質及功能性的影響。

研究晶體結構、能帶結構、表面微結構對功能性的影響。

研究光致表面、界面電子過程和瞬態電荷轉移、馳豫、複合的競爭機制，從根本上揭示其功能性機理。

E. 半導體量子材料與器件

近年來，隨着納米技術與光電信息技術的結合，諸多新的量子物理效應被發現，一系列的新型光電信息材料和器件湧現。對基於低維結構的光電信息功能材料及器件的研究是當前納米科技的非常活躍的研究前沿。這一類材料以其奇特的低維量子效應、豐富的生長動力學過程等深層次的物理和化學現象為各類光電信息功能材料的結構設計和人工剪裁提供了一個廣闊的想象空間，使得光電信息功能材料成為一個科學內涵豐富、創新性強、應用前景廣闊、社會經濟效益巨大的領域。我們將結合我們的工作情況和基礎集中研究以下幾方面的內容：

研究量子阱、量子線及量子點的近 / 中紅外波段的光電響應、級聯光放大等特性， 如 1.3 μ m 波段 InAs 和 InGaAs/InP 量子點的物理特性， InGaAs/GaAs 應變量子阱或量子點的製備與其量子特性等，發展量子點生長的有序控制技術，完善 InAs 和 InGaAs/InP 量子點生長工藝，並製作適用於光通訊波段的量子點激光器原型器件，近 / 中紅外波段量子級聯激光器，以及相應探測器件等；

納米量子相干微結構的製備與電致透明巨光學非線性效應及應用；

納米光子學研究光子學材料成膜過程結晶、組分變化等基本問題研究與高速製備薄膜光子學材料技術，薄膜材料通過摻雜工程和“誘導”效應進行的相結構調變技術研究，研製新型薄膜非線性光子學器件。

（2） Nonlinear Optics at Weak Light and Mecroscopic Quantum Coherent Optics

弱光非線性光子學與介觀量子相干光學

光學與光子學作為技術的基礎與應用密切結合的學科，其基礎研究的水平決定了學科及其技術發展的實力。隨着光學與光子學基礎研究的發展，新的光學現象和光學技術不斷被發現，研究對象已深入到微觀尺度，量子工具被廣泛應用於光學與光子學的研究。我們將集中解決以下與現代光學技術密切相關的光子學基本科學問題：

A．光在凝聚態物質中的傳播特性

研究光在非線性介質中傳播的快速、高精度分析方法，重點研究新型晶體、玻璃、有機及高分子材料的非線性光學傳輸與發光特性，為發展新型三維光存儲與顯示機理，開發新型光子學全息器件提供理論指導；

研究超短光脈衝和物質相互作用（尤其是光子學微結構）的瞬態光學過程及非線性特性，研究快速超分辨高維光譜成像技術機理，研究超快光存儲技術及其光子學微結構刻錄技術機理；

研究納米尺度局域電子系統的 光學特性，電子與光子相互作用機理，為開發納米非線性光子學器件開闢方向；

可調諧激光腔設計。

B．量子相干系綜的非線性光學效應

集中研究光在固體量子相干系綜中的傳播動力學及慢光速條件下的巨光學非線性效應；研究光子學晶格（非相干空間孤子致非相干孤子列陣）與空間孤子相互作用及其非相干非線性光學效應；光子學微結構材料中左手特性與負折射率效應；亞波長級光學衍射和傳播動力學等。

（3） Spectral Characterization and Sensor Techniques

光譜表徵與傳感技術

分子水平微觀物理量和化學量的光譜傳感原理與技術和科學儀器通用軟件平台。

分子光子學以量子力學理論為基礎，從原子分子水平上研究光子學材料和器件中的光與物質相互作用現象和本質。各種光譜學方法和儀器是分子光子學研究的得力工具。本研究室建有顯微拉曼光譜實驗室（屬於“ 211 工程”《高等學校儀器設備和優質資源共享系統平台》項目首批選定的對外開放儀器），傅立葉變換紅外光譜實驗室，成像光譜實驗室，調製光譜實驗室，應用光譜學實驗室和軟件實驗室。研究室近年來對弱光非線性材料鈮酸鋰晶體本徵和非本徵缺陷，半導體自組裝量子點，非晶硅半導體光致晶化相變和有機半導體聚合物等開展了光學與光譜學表徵工作研究。

近年來，光譜技術正經歷一場革命性的變化，由傳統的離線測量走向現場（原位，在線，試驗場和自然環境），並被廣泛用於醫學，農業，石油化工，食品，藥品，半導體，環保，地質，刑偵和軍事偵察等領域，已逐漸形成一門極具發展前景的高科技技術學科。研究室在對光子學材料進行光譜學表徵工作的同時積極研究開發現場或在線分子水平微觀物理和化學量的光譜傳感技術和小型便攜組合式現場光譜儀器與系統。本研究室曾承擔並完成“九五”國家科技攻關計劃“光譜檢測及樣品製備研究與開發”專題，《小型快速化學反應過程光譜檢測儀》通過省部級鑑定，達到國際先進水平。

隨着近年來計算機技術的迅猛發展和科學儀器水平的進一步提高，為了使科學儀器的適用範圍更寬廣，測量精度更精確，使用功能更智能化，發展科學儀器軟件勢在必行。本研究室承擔並完成了“十五”科技攻關重大項目《科學儀器研究與開發》中“科學儀器通用軟件平台研究與開發”課題，並在此基礎上開展有關測試計量與儀器智能化的應用研究與開發。

（4） Nonlinear Physics and Materials

非線性物理與材料

本實驗室從事非線性光學及應用、激光材料及應用等方面的研究。從事的主要研究包括：

新型有機及高分子材料色散調控技術與的光學非線性及應用；

光在非線性介質中傳播的快速、高精度分析方法的研究；

玻璃和晶體材料的光學與激光特性的研究；

研究光在外場下的生物組織中和生物界面的傳播特性，為用於人體功能與疾病的無傷害光子診斷技術奠定基礎等。

入選教育部“創新團隊發展計劃 ”，獲教育部創新羣體基金資助。已經形成“老、中、青”相結合，以中青年教師為主的學術團隊。

本實驗室包括 教授 19 名（其中 博士生導師 17 人）， 副教授 14 名 , 講師 9 名， 年齡在 45 歲以下的 33 人，大多數人具有在國外大學或研究機構一年以上研究經歷。 其中有長 江特聘 教授 2 人，國家傑出青年 2 人，教育部跨世紀人才 4 人，教育部新世紀優秀人才 3 人，南開大學特聘兼職教授 4 人 。

在前期的建設中，本實驗室已建成以下 10 個研究室：

光電材料與器件實驗室： 開發新型的光電材料與非線性光子學材料及器件 , 如鉭酸鋰、鈦酸鋇鈣、光電功能玻璃等人工材料與器件；並建成晶體生長中試基地，推進科技成果的轉化和產業化，培植和發展相關產業。

光子學微結構實驗室：集中研究全光微結構製備及其應用，自主設計並開發週期極化加工設備和工藝 ; 研製用於光倍頻、光學參量振盪、全光開關、全波長轉換器、光脈衝壓縮以及遠紅外 THZ 等領域的準相位匹配全光微結構器件。

低維功能材料與器件實驗室： 設計、構建和研製高性能低維光子學功能材料。進行功能特性測試和物性分析。確定光子學功能材料的能帶能級結構和表面、界面多元結構，研究微觀界面光致穩態、瞬態過程，揭示功能性機理，並開展探索性應用研究。

量子材料與器件實驗室：在原子、分子和納米尺度水平上實現對膜材料、超晶格、量子阱、量子線和量子點材料的可控生長；研製具有優異光電信息功能的量子器件。

納米光子學實驗室：是通過製備新型納米材料和器件對光子進行控制，研究廣泛應用於信息處理和國防、安全、醫療以及生物科技方面的量子器件。

超快光子學實驗室：研究非線性光子學材料瞬態光子學動力學及其應用，研製光致光子學微結構技術，包括光致微晶微結構、光致玻璃化微結構、光 ( 電 ) 致吸收（折射率）變化微結構，等 ; 研究量子系統材料的製備技術及其光在其中傳輸動力學及應用 ; 超快光子學器件如快光存儲技術等；

弱光非線性光子學實驗室：研究非線性光子學材料的弱光非線性光學性質及其相關器件。以鈮酸鋰、鉭酸鋰等光折變晶體為材料平台，研發控制和優化晶體光折變性能技術和器件 ; 開發新型存儲技術新應用與新型光電子全息器件等 ; 弱光巨非線性光子學效應及應用.

分子光子學與傳感器件實驗室：分子水平微觀物理量和化學量的光譜傳感技術和儀器測量技術的研究與開發。實時（現場在線、原位）成像光譜技術及其有機薄膜傳感器件；弱光非線性光子學材料光譜特性的測量與能帶理論的研究等。

非線性光學實驗室：非線性光學及應用、生物光子學及應用、激光材料及應用等研究。包括新型全光晶體管操作的研究 ; 新型有機高分子材料與玻璃的光學非線性及應用 ; 生物組織的光學性質及生物組織內部光學層析成像；

先進固態激光實驗室：高亮度自適應全固態激光器與諧振腔與高密度高激光功率磷酸鹽玻璃激光器等。

擁有建築 面積 5620m 2 獨體科研樓一棟。現有實驗儀器設備總值近 2500 萬人民幣，其中 10 萬元以上的儀器設備 22 套 。已初步建成完善的材料生長、檢測以及器件開發的弱光非線性光子技術研究平台，其中光子學性能測試設備系統包括可測光信號時間特性從連續覆蓋到飛秒，波段由紫外延伸到紅外，測試響應時間 由連續到皮秒的較完整實驗設備和配套設施；量子非線性光子學微結構材料製備已完善了光致微結構製備技術 , 電致微結構製備技術 , MBE 生長系統；建成完善的晶體生長中試基地和光電玻璃材料製備系統等。