打開光電領域科技創新的“總開關”
——記華中科技大學光電學院教授、博士生導師陳云天

張聞 謝更好

陳云天參加2019年重慶大學光學連續域束縛態學術研討會

如果說基礎研究是科技創新的“總開關”，那么光學基礎研究就是那個打開光電領域科技創新的“總開關”。

對華中科技大學光電學院教授，武漢光電國家研究中心及華中科技大學集成電路學院雙聘教授陳云天來說，要打開光電領域科技創新的“總開關”，就需要將光學基礎理論及計算光學的核心算法和我國光電產業的技術需求緊密結合，在其中的痛點、難點及前沿熱點問題的研究上取得突破。

瞄準行業亟須解決的“卡脖子”問題，近年來，陳云天帶領計算物理光學團隊圍繞復雜介質光傳輸的光學基礎理論和底層數值算法的研究，在復雜介質光傳輸領域提出了一系列創新性理論和計算方法，為發展跨尺度光學系統的底層算法打下基礎，并取得了多項突破，包括利用幾何光學與波動光學融合的思想，借助數值計算工具，首次揭示了復雜介質光傳輸的非阿貝爾規范場效應及隱藏對稱性；將對稱性/變分原理及格林函數傳播子技術等基本數學物理方法應用到光學數值計算中，發展了一系列原創性光學仿真算法與技術，在某些點技術工具上突破了光電領域常規商用仿真設計軟件的底層限制等。

“年輕的研究者需要培養自己的學術品位，在‘能做什么’和‘想做什么’中做出獨立的價值判斷，進而在堅持不懈的研究中實現創新?！闭J清自己，瞄準遠方，腳踏實地，埋首前行，陳云天和他的研究團隊繼續前行在突破光電領域重要關卡的攻關征程上。

揭秘微妙的“隱藏對稱性”

對稱性原理是現代物理學發展的基石，在人們揭示自然規律和建立物理定律的過程中起到了關鍵作用。而光學作為物理學的一個重要分支，對稱性之于物理學的重要性同樣適用于光學體系。

近期研究發現，光學體系存在微妙的隱藏對稱性，導致了空間群無法解釋的簡并度和奇異的光傳輸現象。光學隱藏對稱性涉及奇異光學、手征光學與拓撲光子學等多個前沿交叉領域，含有豐富的物理內涵和廣闊的應用前景。鑒于對稱性在物理學的各個領域（包括光學領域）的重要性和支配地位，系統性地研究光學體系的隱藏對稱性的原理及構造方法，不僅進一步豐富甚至反哺物理學中隱藏對稱性的研究手段和方法，還對增強光學與物質相互作用、奇異光學、拓撲光子學、光場調控都有十分重要的意義。然而，盡管其他物理體系的隱藏對稱性研究有著悠久的歷史和相對成熟的研究手段，但光學體系因缺乏有效的研究工具而進展緩慢。工欲善其事，必先利其器，揭秘微妙的“隱藏對稱性”，為光學體系研究清除障礙，正是陳云天及其團隊多年來在相關領域持續攻關的目的所在。

在陳云天看來，光學體系的對稱性也會導致能帶簡并，利用對稱性可以將復雜的光學問題化繁為簡，這對于揭示光傳輸、散射的新原理和新現象，光場調控相關的新應用，以及光學器件的設計起到至關重要的作用。在國家自然科學基金的支持下，他帶領團隊就光學隱藏對稱性及高階簡并問題開展了深入研究。前期的研究中，他們證實了一維周期光學體系存在著空間群無法解釋的隱藏對稱性，而這只是光學系統中的隱藏對稱性現象的冰山一角，也意味著光學系統中存在著大量未被發現的隱藏對稱性尚待挖掘和研究。但上述光學體系隱藏對稱性的根源缺乏深入研究，且一維光學體系的研究方法和結論都無法直接擴展到二維、三維光學體系中。經過深入思考和學習，他帶領團隊初步證實，可通過借鑒分析力學的理論框架，在合理選取的相空間中用哈密頓正則方程重新表述麥克斯韋方程，進而系統全面地研究光學體系的對稱性和隱藏對稱性，在此基礎上研究隱藏對稱性誘導的高階簡并及相關效應與應用。

陳云天借鑒楊振寧先生的規范變換思想，在實空間引入規范變換，用幾何光學思想處理波動光學問題：將光束等效為光粒子流（幾何光線），將偏振等效為自旋，將復雜介質中光與物質的相互作用等效為作用在自旋態上的規范場，從而將復雜介質環境下光傳輸的麥克斯韋方程重新表述為光粒子流的方向和粒子自旋相互耦合相互作用的動力學方程，揭示復雜介質光傳輸的非阿貝爾規范場效應隱藏對稱性，預測了光學震顫及光學非阿貝爾AB效應，為復雜介質中光傳輸理論分析和數值計算提供了新的解決思路。

“物理光學”課堂學生在教師節為陳云天送花

研究成果獲得了業界的肯定和贊譽。美國麥克阿瑟獎得主、麻省理工學院物理學馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）教授團隊在《科學》（Science）上發表論文，首次在光學體系中驗證了楊振寧先生的非阿貝爾規范場理論，而陳云天團隊提出的光學非阿貝爾AB效應的干涉對比度測量方案得到教授團隊在實驗中采納。芝加哥大學維泰利（Vitelli）教授發表在《自然》（Nature）上的論文指出，“非阿貝爾現象也存在于實空間問題中，如光學領域中理論預測和實驗報道的非阿貝爾A B效應現象”，其中“理論預測”指的就是陳云天團隊的工作，“實驗報道”是指馬林教授發表在《科學》論文上的實驗。除此之外，陳云天團隊的工作還多次被《自然》（Nature）、《科學》（Science）、《自然·光子學》（Nature Photoncis）、《物理評論快報》（Physical Review Letters）等重要期刊引用。

陳云天團隊的研究不僅加深了領域對光學體系隱藏對稱性、高階簡并及相關光學現象的理解和認知，豐富了物理體系中隱藏對稱性的研究內容和研究技術手段，也有望為奇異光學、光與物質相互作用增強、拓撲光場調控提供新理論和新途徑。

架起理論和應用連接橋梁

科學理論技術唯有搬下象牙塔最終走向應用才能真正實現它的價值。雖然在基礎理論研究領域深耕，陳云天和他帶領的團隊卻一直心存一份為理論研究和應用研究搭建起一座座“彩虹橋梁”的夢想，而他們實現夢想的“鑰匙”就是突破一系列光學仿真算法、技術瓶頸，打破光電領域仿真設計軟件的限制，助力推動領域關鍵技術的自主可控。

在光學電磁理論研究領域孜孜不倦探索的過程中，陳云天始終有一個難題縈繞在的腦海中——如何將幾何光學與波動光學兩種截然不同的仿真技術統一在一起完成跨尺度光學結構的仿真？這個問題不僅技術上存在極大挑戰，而且有著廣泛的應用需求，在計算光刻技術、晶圓檢測、激光雷達、AR/MR等多種跨尺度光學系統中都發揮基礎性作用。心之所向，素履以往。將理論及技術研究與應用需求緊密結合，他帶領團隊踏上了攻堅克難的探索征程。

陳云天在布爾津五彩灘

幾何光學的分析方法是對波動光學的短波近似，然而是近似就會產生誤差。準確性和速度在仿真計算、產品設計優化中常常是一對難以平衡的因素。尤其在幾何光學領域，當透鏡尺寸越做越小，快而不準的問題日益凸顯，成為困擾相關領域科研工作者的瓶頸。采用波動光學的方法去分析，確實能解決諸如微納結構這類較小結構的數值計算問題，倘若能夠承擔龐大的計算代價，算力足夠或許能突破幾個量級，然而面對跨尺度問題，從微納至宏觀，幾何光學和波動光學在此時都顯得捉襟見肘。

為突破相關領域的瓶頸，陳云天和團隊竭盡全力尋求創新解決之道：一方面，通過物理與算法的融合開發，不斷地提高波動光學的求解能力，向著幾何光學的仿真極限邁進。他們盡可能彌合二者之間的鴻溝，在某些特殊的應用場景之中，例如微米到厘米的尺度下實現了幾何光學與波動光學的聯合仿真，使二者各司其職、各取所長，解決了跨尺度光學設備仿真的實際問題；另一方面，陳云天團隊探索將幾何光學和波動光學融合的物理思想應用到數值計算方法中，發展了光學數值計算“幾何波”（ray-wave）的初步原型概念，從而將幾何光線自動化區域分割和波動光學有限元區域分解技術相結合以實現一體化跨尺度光學仿真。

目前幾何波算法還處于前期探索階段，距離“一體化”跨尺度光學跨尺度仿真技術的成熟落地還有相當大的距離。陳云天曾說，科研猶如攀登，而一個個科研問題就猶如一座座高低不等的山峰。每個科研工作者心中都有一座“珠穆朗瑪峰”，他們在珠峰的吸引之下踏上漫長的征途。當他們意識到這座高山不可輕易登頂，會將它牢記于心，隨后將其他可以攀登的山峰踩在腳下，作為一個又一個拾級而上的新起點，終有一日，最初的那座山會變得不那么高聳險峻。對陳云天來說，幾何波就是驅使他不斷攀登的那座山。

有夢就有動力，伴隨著一座又一座“高峰”被踩在腳下，陳云天和他帶領的團隊離助力應用的夢想又近了一步。近年來，他們將對稱性/變分原理及格林函數傳播子技術等基本數學物理方法應用到光學數值計算方法中，發展了一系列原創性光學仿真算法與技術，突破了光電領域常規商用仿真設計軟件的底層限制。他們還參與了光電領域第一個光電設計自動化國家重點研發計劃專項，利用慢包絡技術解決了大縱橫比硅光芯片射頻器件有限元仿真難題。

2022年，工信部產業鏈協同重點任務之一是攻克“復雜光學元器件的建模與仿真軟件”技術，陳云天團隊作為聯合研發團隊的重要成員，承擔光學電磁有限元核心算法和光學有限元仿真軟件技術核心組件的開發，目前已完成對光子晶體、SPP波導及各類復雜2D波導等光學有限元核心技術攻關。這些研究成果對于實驗光電仿真軟件的獨立自主可控具有重要意義，一定程度上打破國外的技術限制和封鎖，對促進我國光電子器件及集成芯片的產業升級，優化產業結構和產業布局有現實意義。

注重培養獨立的學術品位

優秀的青年科研人員總是有著一顆強大的內心，他們往往不滿足于“小滿即安”，也擅長在探索未知中堅守本心。

2007年，在浙江大學獲得碩士學位后，陳云天就奔赴丹麥科技大學攻讀博士學位，2010年獲得博士學位后，他又繼續在丹麥科技大學從事博士后研究。在丹麥將近6年的時間里，導師給了陳云天在研究上的充分信任，讓他逐步建立起自己的個人研究風格。那段時間里，他積累了豐富的科研經驗，并磨礪了自己的研究技能。通過這些沉淀，陳云天得以站在更高的起點上，為未來的科研事業打下了堅實的基礎。

2013年，陳云天的人生翻開了新的篇章。他正式回國，開始了在華中科技大學光學與電子信息學院的教學生涯。在這個新的舞臺上，他的角色定位也發生了根本的變化。從博士后到博士生導師，陳云天深知這不僅僅是稱謂的改變，更是責任的加重?！澳且豢涛矣X得自己真的是一名‘團長’了，需要站在全局的視角，決定團隊的研究方向，選擇合適的研究課題，帶領團隊在學術的道路上攀登新的高峰?！?/p>

剛回國時意氣風發，但要想取得突破卻并不容易。陳云天回國不久就遇到了一個讓他感到矛盾的問題——在“能做的事情”和“想做的事情”之間，該如何做選擇？

“兩者是矛盾的，你能做的事情可能影響力就比較小，你想做的有影響力的工作，那個時候可能能力又有限，沒法很好地去做?！泵鎸@樣的矛盾，陳云天意識到，自己仍需沉下心來學習、積累和提升，在此過程中確立自己想做什么事情，并把自己想做的事情給做成。此后，他通過到香港科技大學、伯明翰大學、中佛羅里達大學等進行短期交流訪問，如饑似渴地擴大自己在科研上的涉獵范圍和研究深度，實現了有關領域的創新。

作為一名青年研究人員，陳云天希望能將自己的個人學術經歷和心得體會與學生分享。他知道現在的學生可能也會面臨和他一樣的“痛苦”，他會勸慰他們，想做還做不了的事情恰是推動自己進步的壓力和動力?！拔覀円谀茏龅氖虑楹拖胱龅氖虑橹g做選擇，需要達到一個好的平衡，進而實現自己學術研究上的可持續發展?！?/p>

如今，陳云天的團隊主要是博士生跟碩士生，師生組成了一個20人以內的研究團隊，一方面做物理研究，一方面開展算法研究。對于團隊的管理，陳云天鼓勵個人的創新探索，對技術攻關類的科研工作，他認為不能給學生太多束縛?！霸诖蠓较蛳?，他們對什么感興趣，就積極鼓勵他們去把問題搞清楚?！标愒铺鞜o論有多忙，都會積極參與學生的各種小組討論，“在交流碰撞中尋找到科研的靈感，在交流碰撞中追尋真理”。他還會向學生提出一些猜想，進而鼓勵他們去證明自己的猜想是對的還是錯的?！皩W生會有很多自己的想法，而這些想法要得到尊重?！彼f。

在培養學生方面，陳云天更在意培養他們獨立的學術品位?！耙粋€工作拿過來，不管別人怎么說，你對這個工作是好還是壞要有一個自己的獨立評價和判斷，通過這種方式來幫助他們建立起自己的學術品位、研究品位?！彼J為，獨立的學術品位意味著獨立的價值判斷，不能只是“跟風”，有了好的學術品位，才能獨立地做出好的研究成果。

“想做的事情相當于你要跳起來才能夠得著的，或者需要很努力地跳才能夠得著，這個時候就需要很仔細地去規劃自己的發展方向，因為一個人試錯的機會不多，所以需要能夠做出獨立的、比較好的判斷，找到一個適合自己的發展路徑?！标愒铺煺f，在學術研究中心態很重要，浮躁是學術研究的大忌，面對各種各樣的誘惑、噪聲，年輕的學生或學者需要堅持自己的理念和信念，有的時候甚至是要咬牙堅持，這是一個人成長過程中的必經階段。

如今，陳云天正帶領計算物理光學團隊致力于研究光物理的前沿熱點問題及光學仿真軟件的工程化問題。其中，用熱力學的方法開展多模光學非線性的研究，涉及非線性光學、熱力學、統計物理和復雜系統，是一個多學科交叉的前沿問題，也是一個巨大的“金礦”?！氨M管國際上做相關研究的人不多，但這一問題卻非常重要，一方面能為熱力學、統計物理及復雜系統等領域注入新的理解，另一方面有可能給非線性光學帶來研究范式的轉變，催生發展新型光源的獨特機制。如果能在理論和實驗上實現大的突破，就能夠在世界上取得領先地位?！标愒铺焐钪?，每一次科學的突破，都離不開對未知世界的敏銳洞察和不懈探索。光物理學如同浩瀚的宇宙，充滿未知，也充滿奧秘。而他，愿做那個仰望星空且腳踏實地的人，用自己的智慧和毅力，探尋這一前沿領域的無盡秘密。

專家簡介

陳云天，華中科技大學光電學院教授，武漢光電國家研究中心及華中科技大學集成電路學院雙聘教授，博士生導師。2005年獲天津大學學士學位，2007年獲浙江大學碩士學位，2010年獲得丹麥科技大學博士學位。2011—2013年在丹麥科技大學從事博士后研究，2013年入職華中科技大學光學與電子信息學院。研究方向主要包含研究復雜介質/結構中光傳輸和散射，光學基礎理論/數值算法/仿真軟件開發。入選國家青年人才項目，在納米光子學及電磁學計算等領域發表SCI期刊論文60多篇。