闵乃本课题组与“三色光”

一般的固体激光器，只能发出一种颜色的激光；而运用介电体超晶格，可同时发出红、绿、蓝三种颜色的激光，或更多颜色的激光。

发明这项技术的是南京大学闵乃本院士课题组。2007年2月27日，闵乃本院士课题组站到了2006年度国家自然科学一等奖的领奖台上。

团队的组建及其成员

1984年，有两件事鼓舞了南京大学教师闵乃本：一是中央决定建立国家自然科学基金会；二是南京大学固体微结构国家重点实验室成为首批4个国家重点实验室之一。当时，闵乃本 49岁，意识到自己最富有创造性的年华已过，凭现有的精力不可能一个人单枪匹马地完成全部的学术设想。当他那年从美国访问归来后，便开始致力于组建团队，一边培养学生，一边开拓研究。

于是，1985年，从南大物理系毕业后已经在苏州一家工厂工作3年的朱永元，被闵乃本招为研究生，并进入课题组，专门从事超晶格的研究。后来，老三届毕业生祝世宁、60年代出生的陆亚林也相继进入课题组，成为闵乃本的博士生。再后来，70年代出生的陆延青也进入课题组，成为闵乃本的博士生。

研究在不断深入。为了演示、验证研究成果，课题组决定制造出研究产品。但是，要将研究成果实物化，需要工学人才，于是，西北工大的工学博士陈延峰，也被闵乃本招来做博士后研究。1999年后，课题组又先后引进了非线性光学专家王慧田教授和固体激光技术专家何京良教授。这样，一支理工相结合、知识与年龄结构合理的团队，开始了漫长而艰辛的攀登之路。

因此，在“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”获奖以后，闵乃本深情地说：“该项目从提出基本概念、建立基本理论、证实基本效应，一直到最终研制成功全新的原型器件，历经19年。这不是一个人能完成的，也不是我和朱永元、祝世宁、陆亚林、陆延青4位教授完成的，还有陈延峰、王振林、王慧田和何京良等，包括许多研究生，他们都是贡献者。这项成果的取得，是团结合作、勇于创新的结晶。”

课题的由来及其研究

闵乃本课题组的获奖项目，叫“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”，也有人简称其“三色光”。这一研究课题是如何产生的呢?

1962年，美国诺贝尔奖得主Bloembergen提出了准位相匹配理论，但是这个理论一直没有得到验证。上世纪70年代末，在南京大学冯端教授的带领下，闵乃本等巧妙地利用了在晶体生长过程中出现的生长条纹，研制出聚片多畴铌酸锂晶体，成功地验证了准位相匹配理论。在这一过程中，闵乃本敏锐地意识到这类微结构材料具有潜在的应用价值，于是萌生了发展和建立一套有关该类材料的系统理论并探索其应用前景的设想。

1984年，科学家发现了物质的一种新的形态——准晶。1986年，闵乃本在考虑提出“介电体超晶格”的概念时开始设想：是否可将准晶结构引入到介电体超晶格中，构建准周期超晶格?经过二三年的探索，闵乃本和他的学生朱永元等，建立了准周期超晶格的多重准位相匹配理论，并预言：“一块准周期的介电体超晶格，有可能将一种颜色的激光同时转换成三四种颜色的激光。”虽然当时还没有实验结果，他们不敢下定论，但这一理论预言已让他们兴奋不已。

然而，由于没有实验的验证，发表的论文并未引起重视。在其后的两年里，课题组一直在思考制备介电体超晶格的新工艺，却总也没有找到突破口，这也是他们在19年中最为苦闷的时候。

1992年，闵乃本在翻阅最新的物理学杂志时，忽然看到一篇报道，说日本科学家利用半导体平面工艺制成了周期结构光波导，实现了激光倍频。“半导体平面工艺任何图样都能做，既然周期结构能行，那准周期也应该能实现!”这个想法一下触发了闵乃本院士的灵感。经过两年多的艰难研制，他们终于成功了。

“做科学工作，我体会是自讨苦吃，没有钟点，没有假期，没有周末，一有时间想到的就是科研，尤其在没有突破的时候非常痛苦。当然，入了迷以后就乐在其中，一旦理论结果或科学预言被实验证实了，这种成功的喜悦是别的任何一个人都不能体会到的，只有自己能懂。”闵乃本笑着说。

成果的价值及其应用

1996年，课题组根据多重准位相匹配理论，将三个独立的光参量过程，高效地、全固态地集成在一块介电体超晶格中，将一种颜色的激光同时转换成红、绿、蓝三基色激光。但这只是研究成果，而要将它转化成产品，还需要制造出样机。闵乃本坦言：“和发达国家不同，我们的基础研究成果如果不再花一点时间将它演示出来，就不能吸引工业界或应用界的关注。”为此，课题组将已经取得的基础研究成果与全固体激光技术相结合，齐心协力，终于在2005年利用研制的介电体超晶格，研制成功全固态超晶格红、绿、蓝三基色和白光激光器。对一个以基础研究为主的课题组而言，要完成一台技术复杂的原型器件，其难度可想而知。然而，他们不但制出了样机，还取得了4项国内发明专利和1项美国发明专利。

闵乃本院士课题组经过19年的努力，为准位相匹配材料的研发奠定了基础，使国际上同行科学家逐渐关注介电体超晶格的应用前景。由于随后美国斯坦福大学一批科学家的介入，使这一冷门领域逐渐走向热门，而此前，闵乃本院士课题组坐了十年冷板凳。

对于介电体超晶格的应用前景，闵乃本有着更多的憧憬：“我们知道，一般的固体激光器只能出一种颜色的激光，用了我们的介电体超晶格以后，可同时出红、绿、蓝三种颜色的激光，或更多颜色的激光，这就为当代激光技术开拓了新的应用领域，也开拓了光学和非线性光学的新领域。除了三基色激光器可以用于彩色显示外，还有许多事情可以做：如用多波长激光器有可能去发展一种激光医疗仪器，它的好处在于，有些病症的病灶对某一个波长的激光比较敏感，就可以用它来检测和定位，然后再用另一波长的激光对它进行手术治疗。当然，目前这只是可能的设想，还没有做出来。如果有医疗界、企业界愿意做，我们会很高兴与他们一起来研究。”

相关链接

闵乃本：1935年生，南京大学教授，中国科学院院士。现任南京大学固体微结构物理国家重点实验室学术委员会主任，国家973计划顾问专家组材料领域召集人，国家重大科学研究计划“量子调控”专家组组长，全国政协常委，江苏省政协副主席。主要从事凝聚态物理和材料科学研究。

祝世宁：1949年生，南京大学教授。研究领域为凝聚态物理和非线性光学，主要研究方向：光子晶体、非线性光子晶体和光学超晶格，微结构电磁波材料以及压电、铁电材料的结构与物性。在国际刊物上发表论文多篇，申请、获得国际、国家发明专利20余项。

朱永元：1949年生，南京大学教授。多年从事微结构材料的研究，涉及介电体超晶格、金属微结构材料的设计、制备和特殊物理性能(压电效应、电光效应、非线性光学效应、等离极化激元)等领域。在国际刊物上发表论文多篇。

陆亚林：1964年生，1991年至1996年期间在南京大学物理系和材料科学系工作。现任美国克罗拉多大学泉城分校电子工程系教授。主要研究激光与非线性光学、太赫芝材料与器件、先进纳米材料等，在国际期刊上发表论文多篇，持有多项中国、美国专利，并是多种国际学术刊物审稿人。

陆延青：1971年生，南京大学教授。主要围绕介电体超晶格材料及其声光电应用展开工作，先后在《科学》等重要刊物上发表SCI论文40余篇。自2000年起进一步将工作转向应用工程技术领域。曾先后担任多家外国大公司的技术主管和顾问，在光通讯产品的研制、开发、生产等方面积累了大量的经验。