光纤世界的探索之旅——记中国计量学院光学与电子科技学院教授赵春柳

本刊记者 张春壮

如果说半导体材料的应用是20世纪中最重要的技术突破，它推动了信息时代的发展，那么在20世纪末光子晶体的诞生，使人类如操纵电子那样操纵光子成为可能。随着1987年K.O.Hill等人首次发现了掺锗光纤的光敏性和由此产生的光纤光栅以来，光纤发展与应用经历了由理论到实际应用的大发展，特别是1999年，英国巴斯大学Cregan.R.F成功拉制出第一根在空气纤芯中导光的空芯隙型光子晶体光纤，使光子晶体光纤在设计生产和实际应用中成为近20年来发展最吸引眼球、最具应用价值的新型材料之一，这是无数科学研究者的努力探索的结果，记述中国计量学院赵春柳教授的探索之旅，也许能展现这些研究者的研究历程。

求学中的光纤研究之路

赵春柳1999年获理学硕士学位，由于优异的成绩使她直升南开大学现代光学所“光电信息技术科学”教育部重点实验室攻读博士,在这里她有幸遇到在光电子学、光子学方面成就斐然的董孝义教授，丰富的专业知识、新颖的课题研究使她迷上了光子晶体研究，踏上了光子晶体光纤研究道路。2002年她获得理学博士学位，其间因成绩突出在2001年被学校作为优秀学生公派到香港理工大学联合培养，在香港理工大学开阔的学习空间里，她如饥似渴汲取前沿学科知识。海阔凭鱼跃，天高任鸟飞，独特的视野和耀眼的成绩，使她在新加坡国家通信研究院选拔中胜出，2002年至2004年作为新加坡国家通信研究院光通信部门研究员，她从事光纤传感、光纤光栅器件、光子晶体光纤、光纤激光器等研究。是种子总会发芽，是人才总能闪光，2004年赵春柳获得香港理工大学博士后基金，在香港理工大学工程学院的召唤下，同年回到香港理工大学工程学院电机系担任博士后研究员，从事光子晶体光纤等方面的应用研究。2008年她再次应邀到香港理工大学进行学术交流，深入研究声波与微结构光纤的相互作用。2008年年底，赵春柳作为高层次引进人才被中国计量学院特聘为教授，现主要从事光子晶体光纤及其应用、光纤光栅及其应用、光纤传感、光纤通信器件等相关领域研究。努力终结硕果，她在国内外重要学术期刊和会议发表论文40余篇，30余篇论文被SCI／EI／ISTP三大检索收录，邀请报告3篇。获国家发明专利14项，实用新型专利20余项。曾担任青年科学家论坛执行主席，2009、2010年国际先进信息通信技术大会（ICAIT）技术委员会成员并主持和完成多项国家及省部级项目。

光子晶体光纤的新奇研究

光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤，是近年来兴起的一种新型硅玻璃光纤，因其独特的光学特性和灵活设计而具有传统光纤无法比拟的奇异特性。赵春柳以女性特有的敏锐，从独特的视角对光子晶体光纤展开了研究，在研究中，她发现因部分灌入液体的空心光子带隙光纤结构有很大的不对称性，导致在光纤中传输的一个偏振模能量大量泄漏，而另一个正交偏振模在光纤中低损耗传输，从而实现良好的偏振效果。创新的冲动让她对结构进行了优化，并利用光子晶体光纤可填充的特点，首次使用商用光纤熔接机利用一种简单错位熔接技术，制作了一个部分灌入液体的空心光子带隙光纤偏振器件，这种新颖的光纤偏振器件因体积小、损耗少、波长工作范围广等优良性能而具有潜在应用价值，可在光器件的系统测试，无光源器件等很多领域使用。同时，这种新颖的光纤偏振器件还将在以偏振或者相位为主要检测特征的光纤系统，如光纤陀螺、光纤电流传感器、光纤水听传感以及相干光通信系统中发挥重要的作用。

“踏实工作是实现人生价值的最好选择”这个理念渗透在赵春柳光纤研究的每个征程，每次创新都是她反复深入研究与论证的结果。因为能实现一些新奇的光纤光子器件，光子晶体光纤成为当前国际研究的热点之一，赵春柳敏锐地将研究方向锁定在光子晶体光纤及应用研究，她充分利用光子晶体光纤的奇异特性，将不同的光学效应与其结合，探索其中的相互关系，获得传统光纤器件无可比拟的特性。其中，她将光子晶体光纤与光纤环镜结合，利用高双折射光子晶体光纤的高双折射和良好的温度稳定性，获得了高稳定的光纤干涉仪，其温度稳定性比传统的光纤干涉仪提高了55倍。当将酒精灌入到高双折射光子晶体光纤的空气孔，将酒精灌入的高双折射光子晶体光纤插入到光纤环镜中时，所形成的光纤传感器温度灵敏度高达6.6nm/℃，是光纤布拉格光栅（FBG）的600多倍。

同时，她将光子晶体光纤与长周期光栅相结合，为探索其中相互关系，她首次通过引入色散因子，找到了引起光子晶体光纤长周期光栅特殊现象的根本原因，为优化设计不同特性的长周期光栅提供了可靠的理论依据。在此工作的基础上，她更进一步研究了空芯光子带隙光纤长周期光栅，这种光栅结合了光子带隙和模式耦合两种效应。在研究中她针对空芯光子带隙光纤长周期光栅的模式耦合的机理以及成栅机制等方面的问题，建立了理论模型，并成功利用CO2激光器在不同光子晶体光纤上制作了多种具有不同温度和应力敏感特性的长周期光栅。

此外，她将光子晶体光纤与物质检测相结合，充分利用光子晶体光纤的空气孔，让它们成为气体、液体、原子、微粒子通道，实现对物质的检测。当挥发性有机物进入空芯光子带隙光纤的空气孔时，由于挥发性物质对光有极强的瑞利散射效应，从而改变通过的光强，进而实现高灵敏、紧凑的挥发性有机物传感器。当挥发性有机物进入高双折射光子晶体光纤包层空气孔时，则会极大地改变光纤的双折射，使得由其构成的干涉仪波长迅速地移动，实现高灵敏检测。通过详细的理论分析，发现挥发有机物在高双折射光子晶体光纤空气孔内壁所形成的液化薄膜起到关键作用。这一系列成果将促进我国各种光纤光子器件在大型土木工程、电力、医疗等民用领域和航空航天航海等军事领域的广泛应用，她深入细致的研究也将为光子晶体光纤器件及传感技术的实用化奠定坚实的理论与实验基础。

薪火相传的育才情怀

如果说在学术研究中赵春柳如一棵大树般坚韧、无畏，那么在育才传承中她却如春雨般低调充满情愫与关怀，赵春柳认为治学是一件慢功夫的活，不但要有科学方法、严谨逻辑、缜密思维、丰富材料、大胆假设以及创新精神，更要有人为关怀、和谐气氛，构筑导师与学生间友善、和谐、朝气的研究环境利于学生主动从不同层面、不同视域吸收老师的长处和个性，与老师形成一种潜在的“默契”，这更能激发学生的智慧、灵感与冲劲，最终让学生受益终身。如她学生毕业时所说“感谢我的导师赵春柳教授，从论文的选题、研究工作的进展及论文的完成都倾注了导师的细心指导，在学习上和生活上她给了我很大的帮助。赵老师以严谨的治学风格、渊博的学术知识、开阔眼界的思维、对待科研教育的认真负责、创新的态度，使我受益匪浅。同时赵老师积极乐观的生活态度深深影响了我，无论在学术上还是生活上赵老师都是我今后学习的榜样。”正是在这种独特的、富于女性温婉的学习气氛下她获了累累硕果，她指导学生发表的多篇高水平论文在光学领域国际一流期刊Optics Letters上刊发，获批专利20余项，有的研究成果还入选为“2011年中国光学重要成果及优秀产品”。

与姚建铨院士在一起

作为人师，赵春柳始终把“立德树人”作为教师职业的根本，她甘愿为人梯，为助推青年教师发展，作为学院青年教师导师，从教学、科研、为人等方面她耳提面命，指导青年教师逐步走上教学科研岗位，并因优异成绩获国家自然科学基金资助。此外，她还积极为青年教师发展搭建平台，推荐多名青年教师前往香港理工大学等国（境）外高校访学进修、提升水平。她和风细雨、不吝惜的教育风范促进了团队快速发展，目前仅她所在光纤传感技术研究团队成员近20名，并在2014年获得了“浙江省工人先锋号”称号。