弱光非线性光子学教育部重点实验室

天津开发区、南开大学、泰达学院等投资创建的实验室

天津开发区、南开大学、泰达学院等投资达 4000 多万人民币，已建成与国际接轨的“弱光非线性光子材料先进制备技术”教育部重点实验室，其中天津开发区投资 1000 余万元建立的量子材料与器件实验室达到国际先进水平。在良好的科研条件的基础上，科研成果突出，尤其是在 2004 年，已经在国际著名学术期刊《物理评论快报》上发表文章三篇，成为弱光非线性光学领域国际知名的研究群体， 2005 年作为大会的主持单位和大会主席，主持了美国光学学会和欧洲物理学会的系列会议“第十一届光折变非线性光学国际会议”，并作为评审组织单位评审“国际光折变非线性光学最佳应用奖”。 2005 年，又获国家自然科学二等奖。另外，学院非常重视产学研，成果转化工作取的突破，通过技术转让与东方钽业合作，建立了天津晶蓝光电技术有限公司，开发和生产多功能光电材料。

学科领域

学科领域分类：材料与工程（2004.4-2006.11）

信息科学（2006.11）

博士后流动站学科：物理学

博士学位点学科：物理学（光学、凝聚态物理、光子学与技术）、材料科学与工程（材料物理与化学）

硕士学位点学科：物理学（光学、凝聚态物理、光子学与技术）、仪器科学与技术（测试计量技术及仪器）、材料科学与工程（材料物理与化学）

建设承担单位

南开大学（泰达应用物理科学学院，物理学院）

建设地点：南开大学泰达应用物理学院（天津经济技术开发区第三大街南开大学泰达学院七区 300457）

实验室简介

在 LiNbO3 晶体材料的制备与优化，抗光折变机制，光折变非线性和光全息存储器等方面的研究在国际上已有一定的影响，论文累计已被国内外同行它引 700 余人次。自 2001 年以来，获得省部级以上奖项 11 项（国家自然科学二等奖一项，国家自然科学四等奖一项，国家发明三等奖与四等奖各一项，国家教委科技进步三等奖二项；天津市科技进步一等奖一项、二等奖二项、三等奖一项；天津市自然科学一等奖一项，天津市自然科学二等奖一项）；“ 863 ”专家委员会鉴定成果 1 项；国家发明专利 15 项；美国发明专利 2 项；实用新型专利 2 项；出版专著 7 部；发表学术论文 400 余篇， SCI 、 EI 收录 350 余篇（仅 2004 年和 2005 年发表学术论文 229 篇，其中 70 余篇发表在影响因子在 1.5 以上的国外学术刊物上）；有多名教师被先后应邀在国际会议上做邀请报告。

实验室研究方向

1、实验室研究方向与主要研究内容

本实验室主要开展弱光非线性光子学材料的先进制备技术及相关器件的研究工作，结合本实验室的研究基础，针对材料缺陷调控技术及弱光非线性光子学效应研究、色散工程与量子微结构材料、三元系非线性光子学晶体生长技术优化研究和薄膜光电子材料相结构调制技术等研究方向，集中优势，开展研究工作，以解决材料缺陷模型、光子与物质的量子相互作用等基本物理基础问题，开发材料缺陷控制技术、可控量子微结构制备技术等材料先进技术，开发实用型的弱光非线性光子学材料、器件并推动其产业化。

2、实验室近期主要研究内容

（1） Photonics Material and Advanced Fabrication Technique

光子学材料与先进制备技术

A. 材料缺陷调控技术与弱光非线性光子学效应研究

从硅材料的发展历史可知，缺陷研究与调控对于器件性能调控具有十分关键的作用。没有多年来对硅单晶缺陷结构的深入研究及随后开展的半导体缺陷调控技术的发展，就不可能有当今微电子、大规模集成电路等的蓬勃发展。弱光非线性光子学材料的发展也需要走同样的道路。本方向通过研究材料的缺陷微结构，确定材料（如铌酸锂、钽酸锂、 BCT 等）中本征缺陷、非本征缺陷对材料弱光非线性光子学特性的影响。开发高效光子学材料缺陷调控技术（如掺杂工程等），通过对缺陷的调整，优化材料弱光非线性光子学性质，开发具有优良弱光非线性光子学特性的新材料。由此，为非线性光子学材料的研究提供实验与理论依据，指导新型光子学材料的开发和优化，发现新的弱光非线性光子学效应及其应用。主要研究内容包括：

弱光非线性光子学材料本征缺陷与非本征缺陷微结构研究；

掺杂工程、处理工艺、光与射线辐照等缺陷调控技术研究；

新型光子学材料中弱光非线性光子学性能与缺陷结构研究；

以铌酸锂晶体为代表的弱光非线性光子学材料缺陷能带理论与缺陷调控技术。

B. 色散工程与量子微结构材料

光子学材料的弱光非线性特性主要依赖于材料的介电特性。本方向研究光诱导技术、电诱导技术等高效色散工程方法，调控光子学材料的介电性质，在光子学材料中制作针对光子的量子微结构。研究光子学量子微结构中的弱光非线性效应，深入探讨光子与物质之间的相互作用，研究量子相干系综中的巨光学非线性。本方向使弱光光子学及材料的研究由体材料深入到量子效应起主导作用的微结构层面，从而加深我们对光子本性及光子与物质相互作用的物理机制的认识，并有助于我们开发新型光子学材料与器件。本方向主要研究内容包括：

以铌酸锂晶体为材料平台的色散工程技术与新型光子学量子器件材料研究；

基于电、光致畴反转与微畴产生，光致晶化和光致玻璃化等手段的光子学量子微结构材料制备技术与色散工程的研究；

新型量子相干系统的构造技术与材料巨光学非线性特性研究；

弱光非线性光子学缺陷微结构、缺陷控制。

研究弱光非线性光子学材料中的缺陷微结构、缺陷控制及其对光电功能的影响作用，为非线性光子学材料的研究提供实验与理论依据，指导新型光子学材料的开发和优化。内容包括：（1）弱光非线性光子学材料本征缺陷与非本征缺陷微结构研究；（2）掺杂工程、后处理工艺、光与射线辐照等缺陷调控技术机理与弱光非线性光子学特性研究；（3）弱光非线性光子学性能与缺陷能带理论计算等。

C. 三元系非线性光子学晶体生长技术优化研究

三元系晶体是非线性光子学材料的重要分支（如铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、偏硼酸钡、钛酸钡等）。本方向以铌酸锂晶体为切入点，研究三元系非线性光子学晶体生长中缺陷动力学，探索三元系晶体中杂质占位演化过程，研究晶体生长原料分凝效应调控技术。通过研究，开发大尺寸光学级三元系非线性光子学材料生长技术。该方向的研究成果有助于非线性光子学晶体的进一步商业化。主要研究方向包括：

三元系晶体中杂质占位演化过程与晶体生长原料分凝效应调控技术等晶体生长关键技术；

大尺寸光学级三元系非线性光子学材料生长技术。

D. 高性能低维光子学材料的制备及功能特性的研究

本研究从光子学材料的功能性出发，采用新的科学思想和先进的制备技术，通过多相掺杂、复合等技术调控，设计、构建和研制新型结构高性能、高效率低维光子学功能材料。利用先进的科学仪器和表征技术，从微观分子水平研究新型低维光子学功能材料晶体结构、能带结构、表面微结构和光致表面、界面稳态、瞬态电荷转移、驰豫过程，揭示其功能性机理。建立和完善制备新型光子学功能材料的新技术，并开展其实际应用的探索性研究。

主要研究内容：

研究制备工艺和调控技术对光子学材料的性质及功能性的影响。

研究晶体结构、能带结构、表面微结构对功能性的影响。

研究光致表面、界面电子过程和瞬态电荷转移、驰豫、复合的竞争机制，从根本上揭示其功能性机理。

E. 半导体量子材料与器件

近年来，随着纳米技术与光电信息技术的结合，诸多新的量子物理效应被发现，一系列的新型光电信息材料和器件涌现。对基于低维结构的光电信息功能材料及器件的研究是当前纳米科技的非常活跃的研究前沿。这一类材料以其奇特的低维量子效应、丰富的生长动力学过程等深层次的物理和化学现象为各类光电信息功能材料的结构设计和人工剪裁提供了一个广阔的想象空间，使得光电信息功能材料成为一个科学内涵丰富、创新性强、应用前景广阔、社会经济效益巨大的领域。我们将结合我们的工作情况和基础集中研究以下几方面的内容：

研究量子阱、量子线及量子点的近 / 中红外波段的光电响应、级联光放大等特性，如 1.3 μ m 波段 InAs 和 InGaAs/InP 量子点的物理特性， InGaAs/GaAs 应变量子阱或量子点的制备与其量子特性等，发展量子点生长的有序控制技术，完善 InAs 和 InGaAs/InP 量子点生长工艺，并制作适用于光通讯波段的量子点激光器原型器件，近 / 中红外波段量子级联激光器，以及相应探测器件等；

纳米量子相干微结构的制备与电致透明巨光学非线性效应及应用；

纳米光子学研究光子学材料成膜过程结晶、组分变化等基本问题研究与高速制备薄膜光子学材料技术，薄膜材料通过掺杂工程和“诱导”效应进行的相结构调变技术研究，研制新型薄膜非线性光子学器件。

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

弱光非线性光子学与介观量子相干光学

光学与光子学作为技术的基础与应用密切结合的学科，其基础研究的水平决定了学科及其技术发展的实力。随着光学与光子学基础研究的发展，新的光学现象和光学技术不断被发现，研究对象已深入到微观尺度，量子工具被广泛应用于光学与光子学的研究。我们将集中解决以下与现代光学技术密切相关的光子学基本科学问题：

A．光在凝聚态物质中的传播特性

研究光在非线性介质中传播的快速、高精度分析方法，重点研究新型晶体、玻璃、有机及高分子材料的非线性光学传输与发光特性，为发展新型三维光存储与显示机理，开发新型光子学全息器件提供理论指导；

研究超短光脉冲和物质相互作用（尤其是光子学微结构）的瞬态光学过程及非线性特性，研究快速超分辨高维光谱成像技术机理，研究超快光存储技术及其光子学微结构刻录技术机理；

研究纳米尺度局域电子系统的光学特性，电子与光子相互作用机理，为开发纳米非线性光子学器件开辟方向；

可调谐激光腔设计。

B．量子相干系综的非线性光学效应

集中研究光在固体量子相干系综中的传播动力学及慢光速条件下的巨光学非线性效应；研究光子学晶格（非相干空间孤子致非相干孤子列阵）与空间孤子相互作用及其非相干非线性光学效应；光子学微结构材料中左手特性与负折射率效应；亚波长级光学衍射和传播动力学等。

（3） Spectral Characterization and Sensor Techniques

光谱表征与传感技术

分子水平微观物理量和化学量的光谱传感原理与技术和科学仪器通用软件平台。

分子光子学以量子力学理论为基础，从原子分子水平上研究光子学材料和器件中的光与物质相互作用现象和本质。各种光谱学方法和仪器是分子光子学研究的得力工具。本研究室建有显微拉曼光谱实验室（属于“ 211 工程”《高等学校仪器设备和优质资源共享系统平台》项目首批选定的对外开放仪器），傅立叶变换红外光谱实验室，成像光谱实验室，调制光谱实验室，应用光谱学实验室和软件实验室。研究室近年来对弱光非线性材料铌酸锂晶体本征和非本征缺陷，半导体自组装量子点，非晶硅半导体光致晶化相变和有机半导体聚合物等开展了光学与光谱学表征工作研究。

近年来，光谱技术正经历一场革命性的变化，由传统的离线测量走向现场（原位，在线，试验场和自然环境），并被广泛用于医学，农业，石油化工，食品，药品，半导体，环保，地质，刑侦和军事侦察等领域，已逐渐形成一门极具发展前景的高科技技术学科。研究室在对光子学材料进行光谱学表征工作的同时积极研究开发现场或在线分子水平微观物理和化学量的光谱传感技术和小型便携组合式现场光谱仪器与系统。本研究室曾承担并完成“九五”国家科技攻关计划“光谱检测及样品制备研究与开发”专题，《小型快速化学反应过程光谱检测仪》通过省部级鉴定，达到国际先进水平。

随着近年来计算机技术的迅猛发展和科学仪器水平的进一步提高，为了使科学仪器的适用范围更宽广，测量精度更精确，使用功能更智能化，发展科学仪器软件势在必行。本研究室承担并完成了“十五”科技攻关重大项目《科学仪器研究与开发》中“科学仪器通用软件平台研究与开发”课题，并在此基础上开展有关测试计量与仪器智能化的应用研究与开发。

（4） Nonlinear Physics and Materials

非线性物理与材料

本实验室从事非线性光学及应用、激光材料及应用等方面的研究。从事的主要研究包括：

新型有机及高分子材料色散调控技术与的光学非线性及应用；

光在非线性介质中传播的快速、高精度分析方法的研究；

玻璃和晶体材料的光学与激光特性的研究；

研究光在外场下的生物组织中和生物界面的传播特性，为用于人体功能与疾病的无伤害光子诊断技术奠定基础等。

队伍建设

入选教育部“创新团队发展计划 ”，获教育部创新群体基金资助。已经形成“老、中、青”相结合，以中青年教师为主的学术团队。

本实验室包括教授 19 名（其中博士生导师 17 人），副教授 14 名 , 讲师 9 名，年龄在 45 岁以下的 33 人，大多数人具有在国外大学或研究机构一年以上研究经历。其中有长江特聘教授 2 人，国家杰出青年 2 人，教育部跨世纪人才 4 人，教育部新世纪优秀人才 3 人，南开大学特聘兼职教授 4 人。

科研条件

在前期的建设中，本实验室已建成以下 10 个研究室：

光电材料与器件实验室：开发新型的光电材料与非线性光子学材料及器件 , 如钽酸锂、钛酸钡钙、光电功能玻璃等人工材料与器件；并建成晶体生长中试基地，推进科技成果的转化和产业化，培植和发展相关产业。

光子学微结构实验室：集中研究全光微结构制备及其应用，自主设计并开发周期极化加工设备和工艺 ; 研制用于光倍频、光学参量振荡、全光开关、全波长转换器、光脉冲压缩以及远红外 THZ 等领域的准相位匹配全光微结构器件。

低维功能材料与器件实验室：设计、构建和研制高性能低维光子学功能材料。进行功能特性测试和物性分析。确定光子学功能材料的能带能级结构和表面、界面多元结构，研究微观界面光致稳态、瞬态过程，揭示功能性机理，并开展探索性应用研究。

量子材料与器件实验室：在原子、分子和纳米尺度水平上实现对膜材料、超晶格、量子阱、量子线和量子点材料的可控生长；研制具有优异光电信息功能的量子器件。

纳米光子学实验室：是通过制备新型纳米材料和器件对光子进行控制，研究广泛应用于信息处理和国防、安全、医疗以及生物科技方面的量子器件。

超快光子学实验室：研究非线性光子学材料瞬态光子学动力学及其应用，研制光致光子学微结构技术，包括光致微晶微结构、光致玻璃化微结构、光 ( 电 ) 致吸收（折射率）变化微结构，等 ; 研究量子系统材料的制备技术及其光在其中传输动力学及应用 ; 超快光子学器件如快光存储技术等；

弱光非线性光子学实验室：研究非线性光子学材料的弱光非线性光学性质及其相关器件。以铌酸锂、钽酸锂等光折变晶体为材料平台，研发控制和优化晶体光折变性能技术和器件 ; 开发新型存储技术新应用与新型光电子全息器件等 ; 弱光巨非线性光子学效应及应用.

分子光子学与传感器件实验室：分子水平微观物理量和化学量的光谱传感技术和仪器测量技术的研究与开发。实时（现场在线、原位）成像光谱技术及其有机薄膜传感器件；弱光非线性光子学材料光谱特性的测量与能带理论的研究等。

非线性光学实验室：非线性光学及应用、生物光子学及应用、激光材料及应用等研究。包括新型全光晶体管操作的研究 ; 新型有机高分子材料与玻璃的光学非线性及应用 ; 生物组织的光学性质及生物组织内部光学层析成像；

先进固态激光实验室：高亮度自适应全固态激光器与谐振腔与高密度高激光功率磷酸盐玻璃激光器等。

拥有建筑面积 5620m 2 独体科研楼一栋。现有实验仪器设备总值近 2500 万人民币，其中 10 万元以上的仪器设备 22 套。已初步建成完善的材料生长、检测以及器件开发的弱光非线性光子技术研究平台，其中光子学性能测试设备系统包括可测光信号时间特性从连续覆盖到飞秒，波段由紫外延伸到红外，测试响应时间由连续到皮秒的较完整实验设备和配套设施；量子非线性光子学微结构材料制备已完善了光致微结构制备技术 , 电致微结构制备技术 , MBE 生长系统；建成完善的晶体生长中试基地和光电玻璃材料制备系统等。

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