原创 长光所Light中心 中国光学

记者 | 胡伟 张莹

编者按

近期，液晶光学专家、南京大学副校长陆延青教授接受了《Light》特邀记者胡伟（南京大学现代工程与应用科学学院）、《Light》记者张莹（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心）的专访。陆延青教授围绕液晶太赫兹调制元件、液晶显示、高速全光信号处理、微纳光纤波导中的一些问题，进行了深入的解答，展望了液晶软光子学元件的未来发展方向，分享了在学术界和产业界融合发展的重要经验，以及在建设世界一流期刊背景下对领军期刊《Light: Science & Applications》的评价和寄语。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。我们很荣幸能邀请到身兼数职、精力充沛、幽默风趣、温文尔雅的国家科技创新领军人才——陆延青。本期采访展现一位学术界领军人物、双一流大学领导者、产业界研发和管理者的亲身经历与独到见解。

南京大学副校长，国家杰出青年基金获得者、“万人计划”科技创新领军人才、美国光学学会会士、中国光学学会会士、中国光学学会理事、中国物理学会理事兼液晶分会主任、Chinese Optics Letters执行主编、《液晶与显示》副主编、《科技导报》编委、中国科协“世界一流科技期刊建设专家委员会”委员。

1991年和1996年分别获南京大学物理系学士和博士学位，后留校任教。自2000年起，陆延青赴美并将工作转向应用工程技术领域。先后担任若干高科技公司的研发及管理职务，积累了丰富的光电子产品研制与生产实际经验。2006年底，陆延青获聘返回南京大学任职。主持了国家重点研发计划项目和863、973、国家自然科学基金等多项国家级研究项目。主要围绕液晶光学、非线性光学、光纤光学等方向开展工作，在Science, Light: Science & Applications， Physical Review Letters, Nature Communications, Advanced Materials等刊物上发表论文200余篇，被引5000余次。申请专利100余项，其中授权专利70余项，部分已转让。

1999年，陆延青领衔的研究成果入选“中国高等学校十大科技进展”、“中国基础研究十大新闻”等；他也是2006年度国家自然科学奖一等奖项目“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”获奖人之一；团队研究成果连续入选2018、2019中国光学十大进展；培养学生三次荣获中国光学学会“王大珩光学奖─高校学生光学奖”。

深度专访

《Light》特邀记者胡伟：陆教授，您本硕博均就读于南京大学，1996年毕业后直接留校任教，继续在导师闵乃本院士团队从事介电体超晶格方面的研究，并很快在学术界脱颖而出，连续在顶刊Science上发表论文，但我们发现此后您就选择了出国并随即转入产业界。2006年底，您又再次回归学术，重回南京大学建立研究团队开启研究工作。请问是什么原因促使您走了这么一条独特的学术轨迹？在美国几年的经历尤其是产业界的经历，对您回国后的研究定位和学术方向又产生了哪些影响？

陆延青：南京大学理科坚实的积淀为我的学术研究奠定了良好的基础，毕业后在我的导师闵乃本院士团队站在国际学术前沿从事介电体超晶格方面的研究，并取得了一些成果。像很多从事基础研究的青年学者一样，到了一定阶段，对前沿技术应用会有一种特别强烈的期盼。正是由于这么一个念头，驱使我走出国门，在光通讯高科技领域工作了一段时间，在美国、中国台湾乃至捷克均有一些经历。一路走来，对科技之美和产业之难有了越来越多的认识和体会。但是，虽然身在海外，我和闵老师以及祝世宁、陆亚林、陈延峰等师兄一直保持着联系。后来回到南大既水到渠成，也有多方面原因。在南大百年校庆期间，时任南大副校长的陈骏老校长在达拉斯的热情召唤，于涛、陈延彬等友人访美时转达闵老师的“陆延青会回来的”深情话语，以及和当时在加拿大姚建平组访学的陈向飞相互激励，共同发愿在南大做工科等都是重要的原因。我在美国CREOL的另一位恩师吴诗聪先生的教导、支持也是我能最终回国并开展工作的不可或缺的因素。回国后，我一方面延续了此前在南京大学的介电体超晶格体系的研究，另一方面，结合国外六年的积累，引入了光纤和液晶两个新的研究方向。建立液晶与微纳光学研究组，先后引进徐飞、胡伟两名同事，以理化为基础，依托上述三类材料体系，进行从材料到元器件的研究，大力发展兼具微结构物理内涵与现代光学工程特色的核心技术并进行相关的应用探索。经过十多年努力，做出了自己的特色，并伴随着南京大学的新工科一起成长壮大。

《Light》特邀记者胡伟: 您于2015年在《Light》上发表的研究成果【】将电控双折射液晶元件的设计由可见近红外波段推广到了太赫兹波段，并在后续工作中实现了对太赫兹波前的任意调控，在可调太赫兹元件方面迈出了关键的一步。您认为此前限制液晶太赫兹调制元件实现的难点主要在哪？液晶元件与其它材料或元件相比具备哪些优势？

陆延青：太赫兹（terahertz, THz）波一般指频率在0.1-10 THz之间的电磁波。以1 THz为例，其对应波长为300 μm，液晶THz器件要获得实用的调制量，其液晶层厚度一般要达到500 μm以上，这样会带来很多问题，如：液晶取向质量差、器件响应慢、工作电压高等。有效提高THz波段液晶材料的双折射率是器件面临的一大挑战。与此同时，传统可见近红外波段常用的透明电极ITO等材料到了THz波段完全呈现金属性，反射强烈，因此，缺少透明电极成为阻碍电调谐液晶THz器件发展的另一障碍。我们与清华大学梁晓教授合作，于2012年首次设计实现了一种液晶，其在0.5-2.5 THz波段双折射突破0.3，比传统液晶材料提升了2.5倍，为后续在《Light》上发表的成果打下了坚实的材料基础。2015年，我们创造性地采用少层多孔石墨烯作为THz波段透明电极，其在THz波段的透过率整体超过98%——可视为完美的THz透明电极。结合偏振选择的亚波长金属线栅电极，驱动光取向的大双折射液晶，实现了宽带电控可调的液晶THz波片。通过叠加多个液晶盒，调节范围进一步增大，工作电压相应减小。这为液晶THz器件长期存在的一系列问题提供了系统的解决方案，实现了高效实用的宽带可调THz波片，并为发展各类液晶THz元器件扫清了障碍。之后我们采用自主研发的动态掩膜光取向技术，实现了多种几何相位液晶光子元件和对太赫兹波前的灵活调控。并进一步与超材料相结合，实现了各种大调制量、快速响应的THz功能器件。相比其它材料或元件，液晶最主要的优势是在室温下低电压驱动的动态可调，结合光取向技术，可以实现对波前的任意调控；另外，基于液晶聚合物薄膜可以实现各类柔性THz元件。借鉴成熟的液晶显示技术与工艺，结合先进的超材料和新型二维材料，液晶这一类传统材料有望在THz调控领域焕发出勃勃生机。

《Light》特邀记者胡伟: 2017年，您在《Light》上发表的研究成果中【】，您与合作者对突破液晶显示器色域限制的方法进行了分析与讨论。迄今为止，尽管受到OLED等新型显示技术的不断冲击，LCD仍然占据平板显示市场的主流。您认为LCD未来市场前景如何，下一步液晶显示研究的方向在哪？除了信息显示，液晶还会在哪些新兴的行业领域脱颖而出？

陆延青：纵观全球新型显示技术发展态势，LCD技术目前仍然是各类显示技术中最成熟、市场占有率最高的。文中【】我的老师中佛罗里达大学吴诗聪教授带领我们，通过团队合作，提出了一种新型背光系统，其包括反射型偏振片和图案化半波片，使蓝光和绿/红光的偏振状态去偶合，从而使三基色之间的串扰被大大抑制，使得LCD的色域获得了突破。近年来LCD技术飞速发展，各项指标如对比度、分辨率、色域等都得到了大幅的提升。OLED等新兴技术也在蓬勃发展，但在大屏制造的良率和长期可靠性方面尚有待提升。下一步液晶显示要抓住8K显示带来的新需求与新机遇，延续其在大尺寸显示领域的优势地位，更需要在核心材料、核心组件等方面加大研发力度，以防“卡脖子”的问题出现。其实，液晶在非显示领域的应用已经非常广泛，液晶的电控调光特性已被应用到激光雷达的光束扫描、光通信的全光互联、智能调光玻璃、自适应光学、变焦透镜、特种光场模式加载等领域；利用液晶的多外场响应特性，还有望在生物医学检测、智能织物、柔性可穿戴光学设备、微控制器执行器等领域获得广泛应用。实际上，相关研究人员和行业专家正不断开发新的液晶材料和应用场景，并不断与新兴技术相结合，我认为液晶研究与产业的未来十分光明，仍然大有可为。

《Light》特邀记者胡伟：您在2015年另一篇《Light》工作中【】，利用石墨烯与波导模场作用改变传输光场性质，实现了三维立体复合型微光纤器件的功能集成，展示了石墨烯-微光纤集成器件在高速全光信号处理方面的应用前景。您认为二维材料与光纤体系的异质结合，都带来了哪些新颖的特性？除了高速调制器之外，还有哪些应用场景和领域？要实现实用化或产业化，还存在哪些物理限制或技术瓶颈？

陆延青：随着光学器件集成化、小型化和多功能化成为光子学发展的主要趋势，传统的以二氧化硅材料为基础的微纳光纤器件已经不能完全满足需求，例如二氧化硅材料在无电光效应、二阶/三阶非线性系数不高、低表面气体吸附性等方面受限。以石墨烯为代表的二维材料具有独特的电学、光学、热学、力学和表面化学特性，并且其容易与不同材料、结构集成，例如圆柱形的光纤波导结构。二维材料与光纤的结合，能够突破二氧化硅本征材料的结构与性能限制，在光电探测、光学传感、光场调控、非线性频率转换、量子光学等方面发挥重要作用并具有重要的应用价值。要实现实用化和产业化，需要解决高质量二维材料的低成本、可控制备，材料的干净转移和实现微纳加工过程中对于材料界面/缺陷的调控等难点。另外，实现器件的可靠封装也是二维材料器件实用化与产业化的重要前提。

《Light》特邀记者胡伟：您在2019年发表在《Light》的工作中【】进一步将单层单晶WS2薄膜可控地转移包裹到了亚波长直径的石英光纤表面，实现了复合波导在近红外波段的低损耗光传输，并引入了更为丰富的光电子特性（波导增强的WS2激子共振吸收和二次谐波转换效率），实现了二次谐波转换效率的切换。这种设计和调控策略可以推广到其它二维材料体系，为微纳光纤波导集成二维材料的高性能、可调谐的光电子器件的开发提供新的思路。您认为新型二维材料体系与微纳光纤的复合器件又带来了哪些全新的机遇？

陆延青：这也是我一个特别喜欢的工作，是和我们组徐飞教授共同指导学生完成的。亚波长的微纳光纤作为光纤光学与纳米技术的连接桥梁，实现了微米尺度甚至纳米尺度光-物质相互作用，而二维材料具有丰富的光电性质，更重要的其物理特性容易受到外界光、电、磁、声、应力等多物理场的调控。二维材料体系与微纳光纤的复合器件将极大推动光纤体系的高性能、可调谐光电子应用研究，同时有望为研究凝聚态材料的光电子谱学提供新的近场探测技术。

《Light》记者张莹：在您和中科院长春光机所宣丽研究员的指导下，由华东理工大学郑致刚教授和南京大学胡伟教授组织的“液晶先进材料与器件“专刊在《液晶与显示》2020年第7期【】发表之后，得到了液晶与显示领域专家、学者及企业技术人员的广泛关注和高度认可。正如您在专刊序言中提到“在技术与市场的双动力驱动下，新型液晶技术与产业持续爆发出旺盛的活力，取得了突飞猛进的发展。新的液晶材料、相态、排列结构与功能器件效应不断涌现，在优异的电光、热光效应之外，依托液晶及其复合材料的光电转换、光力、热能动能转换、超结构组装调控、多外场传感等全新性能被陆续揭示出来，其应用探索更是遍及微纳机械、医疗检测、绿色建筑、能源转换、生命健康、环保技术、自动驾驶、空间技术等诸多行业和领域。” 请您结合您目前开展的液晶软光子学研究方向和取得的成果，举1-2个代表性成果，谈一谈这种“软”光子学开创的“硬核”科技对满足国家战略需求和促进国民经济发展方面发挥的重要作用，并对液晶软光子学元件的未来发展方向做一下展望。

陆延青：微纳光学器件是基础光学与工程应用研究的热点，受到国际科技界的广泛关注。运用微纳结构对光子这种典型的玻色子进行调制已经在传输速率、并行处理、功耗及加密等方面优于传统的电子器件，并将伴随科技的进一步发展变得愈加成熟化和规模化。通常我们采用诸如光刻、离子束、电子束等自上而下（top-down）的微加工方式来获得微纳光学结构。液晶具有独特的自组装性质，通过分子间相互作用在空间堆积形成一维螺旋光学微结构或三维晶格结构，也就是我们常说的自下而上（bottom-up）方式，通过外场还可进一步干预这种组装行为，形成微纳结构的可控、可编辑、可重构，即我们所说的“软”的特性。由于这些结构的周期尺度恰巧在光波长量级，因此这种液晶自组装微纳结构就形成了一种光子带隙外场可调的软光子元件。我们利用光配向对液晶指向矢进行精确诱导，制备胆甾相液晶自组装螺旋超结构，并开发出宽带多路并行的OAM（光子轨道角动量）处理器，实现了OAM混合态的模式解复用与在线无损检测，提供了一种可与波分复用技术兼容的宽谱、高效的在线式OAM并行处理技术，使得模分复用与波分复用在元件层面的兼容成为可能【】。通过向胆甾相液晶组装微结构中加入光响应分子开关，实现了1300 nm范围的光控反射带连续移动及材料体系的手性反转，并由此带来了反射几何相位的反转，在可调控平面光子学方向迈出了关键的一步【】。同时在光敏胆甾相液晶体系中引入弯曲形液晶分子，制备了倾斜排列胆甾相液晶，实现了螺旋结构的光/电并行控制，得到了反射带隙大范围连续可控【】。这些研究工作为基于可控液晶组装微结构的“软”光子学研究奠定了基础，未来将在空间光场调控、高速光传输、光子计算等领域获得应用。

《Light》记者张莹：科技期刊作为科研成果交流与展示的载体，已成为国家科技竞争力和文化软实力的重要体现。科技强国建设离不开一流科技期刊的支撑。随着我国科技创新步伐不断加快，打造与之相匹配的代表中国走向世界的一流科技期刊，让我国优秀的科技创新成果发表在祖国的大地上，已成为中国科技界和期刊界共同面临的重要课题。您作为一名研究人员，同时担任世界一流科技期刊建设专家委员会委员，请您结合在领军期刊《Light: Science & Applications》上发表系列重要成果的经历，谈一谈对《Light: Science & Applications》期刊的评价和寄语。

陆延青：现在我们与发达国家的科技竞争已经是全方位的竞争。植根于国内的一流英文科技期刊将成为国内原创成果展示、交流、推广的有力平台。自主期刊平台涉及发布优先权、学术话语权和研究方向引导权等方面的竞争。如您所讲，好的科技期刊已成为国家科技竞争力和文化软实力的重要体现。《Light》期刊创办短短几年，曹健林主编带领广大编委和编辑团队励精图治，打造成了具有较高国际影响和声誉的领军期刊品牌。我自己的研究团队坚持把最具原创性和影响力的成果投往《Light》，目前已有多篇文章在《Light》上快速发表，并获得了国际同行的广泛关注与好评。在国家大力倡导建设世界一流科技期刊，打造具有中国特色的国产科技期刊品牌的大背景下，希望《Light》团队与广大光学领域专家齐心协力，不断呈现卓越成果，增进国内外学术交流，在光学界和期刊界发出中国的最强音！

1. https://www.nature.com/articles/lsa201526

2. https://www.nature.com/articles/lsa201743

3. https://www.nature.com/articles/lsa2015133

4. https://www.nature.com/articles/s41377-018-0115-9

5. http://cjlcd.lightpublishing.cn/virtualProjectDetail?virtualId=51&index=3&type=thesis

6. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705865

7. https://www.nature.com/articles/s41467-019-10538-w

8. https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaax9501.abstract

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