南方科技大学材料科学与工程系李贵新

duojun990

李贵新副教授，南方科技大学。于2009 年毕业于香港浸会大学物理系并取得博士学位，2016 年10 月回国加入南方科技大学，2009-2016年于香港浸会大学、英国伯明翰大学物理系、德国帕德博恩大学物理系从事研究工作，历任博士后、研究助理教授等职位。研究领域为超材料、超构界面、纳米光学、非线性光学等。在包括自然-物理学、自然-材料学、自然-纳米技术、自然-通讯、物理评论快报等期刊发表SCI研究论文近40篇，美国专利三项。

李贵新 副教授
材料科学与工程系
0755-88018957
ligx@sustc.edu.cn

研究领域：
◆ 超材料、超构界面、纳米光学、非线性光学等。

工作经历：
◆ 2016年10月起，     南方科技大学材料科学与工程系，副教授
◆ 2016年，               德国帕德博恩大学 物理系   博士后   合作导师：Prof. Thomas Zentgraf
◆ 2014年至2016年，英国伯明翰大学     物理系   博士后   合作导师：Prof. Shuang Zhang
◆ 2012年至2015年，香港浸会大学        物理系   研究助理教授
◆ 2011年至2012年，伦敦帝国理工大学 物理系 访问学者 合作导师：Prof. Donal Bradley
◆ 2009年至2011年，香港浸会大学        物理系   博士后   合作导师：Prof. Kok Wai Cheah

学习经历：
◆ 2009年，香港浸会大学物理系，博士

代表文章和专利：
◆ Rotational Doppler Effect in Nonlinear Optics, G. Li, T. Zentgraf, S. Zhang, “Rotational Doppler Effect in Nonlinear Optics”, Nature Physics 12, 736-740 (2016).

联系方式：
◆ 地址：深圳市南山区西丽大学城南方科技大学第二科研楼411室
◆ 办公室电话：86-755-88018957
◆ 传真：86-755-88018904
◆ 邮件：ligx@sustc.edu.cn

sanpang

李贵新课题组在《Nano Letters》发表两篇非线性光学超构表面最新研究成果

近日，[url=]我系副教授李贵新课题组在《Nano Letters》杂志（影响因子:12.712）发表了两篇非线性光学超构表面领域的最新研究成果。李贵新为两篇论文的通讯作者。[/url]

贝里于1984年提出的几何相位 (Geometric Berry Phase) 概念不仅在凝聚态物理、量子材料等领域有着重要意义，贝里及更早前的印度科学家（1956年）亦把几何相位应用到了光学范畴，即Pancharatnam-Berry Phase。近年来，贝里几何相位的概念被用于光学超构表面研究中，并实现了圆偏振光手性控制的平面透镜、螺旋光束产生、全息成像等功能。2015年，李贵新与其他合作者首次提出了非线性贝里相位的概念，并通过倍频与三倍频辐射过程在实验上验证了非线性光学贝里几何相位的存在[Li, G. X. et al. Nat. Mater. 14, 607-612, 2015]。其工作机理是：具有自旋角动量的基波与具有具有m重旋转对称性的超构单元相互作用，只有谐波级次为n = jm ± 1的可以发生，这里j是整数，± 代表基波与高次谐波的自旋角动量相同或者相反。假设超构单元的方位角为φ、基波的自旋角动量为(σћ)，其对应高次谐波辐射的相位引子是：ei(n∓1)σφ。有了这一理论指导，我们可以通过简单旋转平面内超构单元的方向实现非线性极化率的相位从0 – 2π连续可调。

研究成果一是通过超构表面实现对非线性倍频光子的自旋、轨道角动量的同时调控。光子的角动量表现为自旋和轨道角动量，即Spin and Orbital Angular Momentum。早在1909年英国科学家波印亭就提出，左旋圆偏振与右旋圆偏振光携带的自旋角动量分别为±ћ。人们逐渐认识到光的自旋角动量不但存在，而且可以解释很多物理现象。例如，光对各向异性介质施加的扭矩、塞曼能级劈裂、旋转多普勒效应等。直到1992年，Allen等人才指出的光还可以携带另外一种角动量，即轨道角动量。从数学公式上来看，携带轨道角动量的螺旋光束的电场相位因子带有eilφ项，其中l和φ分别是拓扑量子数和波前平面的几何角度。理论上讲，轨道角动量lћ的量子数可以无穷多，因而可以为光信息编码提供无穷多个自由度。当前，光的轨道角动量在经典与量子光通信、光镊等领域引起大家的广泛兴趣并且大家已经在广泛使用轨道角动量的概念。

图1：非线性超构表面产生倍频光SHG的自旋、轨道角动量的的示意图。

超构表面由具有三重对称性的C3（或C4）功能基元组成，携带拓扑电荷数q。根据我们的初步推断，对于具有两个自旋角动量状态 (LCP和RCP) 的基波 (FW) 入射到超构表面上，产生的倍频SHG具有与基波的相反的自旋角动量(RCP和LCP)；同时携带与基波自旋角动量、超构表面的拓扑电荷数有关的轨道角动量。

在本项研究中，李贵新课题组把具有C3旋转对称性的超构单元按照一定序构排列起来形成圆形的超构表面，超构表面携带的拓扑电荷为q，理论和实验上这类超构表面上产生的非线性谐波的自旋和轨道角动量分别为：s = ±σћ；ln = (n∓1) σqћ。对应倍频谐波情况：s = -σћ；lSHG = 3σqћ。因此，结合光的自旋角动量控制的非线性几何相位与拓扑电荷的概念，可以通过超构表面上实现对非线性谐波辐射过程中光的自旋、轨道角动量的同时控制。了解了相关物理机制，对于如何在微纳尺度上产生并控制光的自旋、轨道角动量两个维度，设计高密度、多功能光信息处理芯片等奠定重要科学与技术基础。该论文研究成果由新加坡南洋理工大学罗宇教授课题组、英国伯明翰大学张霜教授课题组、香港大学李文迪教授课题组、南科大电子系刘言军教授课题组、南科大材料系黄思雅博士等共同参与完成。

研究成果二是关于非线性光学超构表面：图像加密新方案，如下图所示。

图2: 用于非线性光学倍频技术加密的光学超构表面。

(a)、(c) 白光、红色激光照明，样品均匀图像显示；

(b) 在红外飞秒激光照射下，可从非线性倍频信号提取出字母 “META”

光学信息的安全性在现代社会中非常重要。许多基于经典和量子光学的密码技术已经在线性光学范畴下得到了广泛的研究。在本项研究中，李贵新课题组开发了一种新型的非线性光学加密方式，由于编码和解码涉及非线性光学频率转换过程，因而被破解、复制的难度远远高于一般的光学全息防伪技术。

根据光的非线性贝里几何相位原理，李贵新课题组设计了一种基于金属材料(金、银等)的三重旋转对称C3超构单元的超薄非线性光学超构表面。金属纳米结构的厚度仅为30纳米厚，像素单元为500纳米 x 500 纳米。这类光学超构表面包含具有旋转对称性的单元结构，因而在可见光或近红外照明下看上去均匀。然而，如果通过一对存在夹角的C3超构单元上倍频信号的干涉相消、相长原理，可将非线性倍频强度不同的图案或文字加密于其中。然后，采用飞秒激光照明（波长为1200nm-1400nm），隐藏的图像可在通过二次谐波（SHG）成像过程被读取出来。这种新型的基于空间变化的光学干涉的非线性光学超构表面为多维度图像加密，为防伪和无背景图像重建开辟了新的途径和思路。此论文研究成果由德国帕德波恩大学物理系教授Thomas Zentgraf课题组参与完成。

文章链接：

研究成果一：Li, G., et al. Nonlinear Metasurface for Simultaneous Control of Spin and Orbital Angular Momentum in Second Harmonic Generation. Nano Letters, 17 (12), 7974-7979,2017.http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b04451

研究成果二：Felicitas W., et al. Ultrathin Nonlinear Metasurface for Optical Image Encoding. Nano Letters, 17 (5), 3171–3175, 2017. http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b00676

李贵新课题组

光学材料与超构材料实验室

课题组链接：http://mse.sustc.edu.cn/cn/people/detail/id/90

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李贵新入选2017年度“珠江人才计划”引进创新创业团队

材料科学与工程系副教授李贵新为带头人的“光学超构表面关键技术与应用研究团队”核心成员共4人。团队研究内容主要包括：高效率光学超构表面；可调谐光学超构表面；非线性光学超构表面；光学超构表面关键制造技术。本项目提出的光学超构表面的关键技术与应用研究，充分考虑了项目带头人及核心成员在光学超构表面领域的原创性、阶段性研究突破，其成功实施不仅会进一步加强项目团队在国内外的领先地位，并且可推进广东省在高效率光学超构表面材料、光学全息成像可调谐光学超构表面、先进光学设计、高精密光学测量技术、高精度大面积微纳加工制造等关键科学技术领域处于制高点。

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2019年9月21日，由香港求是科技基金会主办的“2019年度求是奖颁奖典礼”在清华大学蒙民伟音乐厅隆重举行。南方科技大学材料科学与科学工程系副教授李贵新荣获2019年“求是杰出青年学者奖”。


       李贵新现任南方科技大学材料科学与工程系副教授、博士生导师，深圳量子科学与工程研究院研究员，第12批国家特聘专家（青年）入选者，任中国超材料学会常务理事。1999年-2006年就读于北京师范大学物理系获理学学士、硕士学位。2009年毕业于香港浸会大学物理系取得理学博士学位。2009-2016年于香港浸会大学物理系、伦敦帝国理工学院物理系、英国伯明翰大学物理与天文学院、德国帕德博恩大学物理系从事研究工作，任博士后、访问学者、研究助理教授等。2016年10月回国加入南方科技大学组建光学材料与超构材料实验室。其研究领域为非线性光学、光学超构材料、光学超构表面、纳米光学等。他在包括《自然-物理学》《自然-材料学》《自然综述-材料学》《自然-纳米技术》《自然-通讯》《物理评论快报》等期刊发表研究论文60余篇，被引3500余次。在光学超构材料领域获专利授权5项。任中国超材料学会常务理事。
        据悉，香港求是科技基金会1994年由著名爱国实业家査济民创立，积极坚持和倡导“科学精神、人文情怀”的核心理念，旨在通过奖助在科技领域上有成就的中国学者，推动国家的科技研究工作，由多位国际知名学者担任顾问并全权负责奖项的遴选和审定。1994至2019年，共有358位在数学、物理、化学、生物医学及工程信息等科技领域中有杰出成就的中国科学家获得基金会奖励。其中“求是终身成就奖”2位，“杰出科学家奖”31位、“杰出青年学者奖”192位、以及“杰出科技成就集体奖”133位（涉及16个重大科研项目，如青蒿素、人工合成牛胰岛素、塔里木盆地沙漠治理、铁基超导、神舟飞船等）。
       此前，我校校长陈十一曾荣获2017年度“求是杰出科学家奖”，力学与航空航天工程系副教授万敏平曾荣获2018年度“求是杰出青年学者奖”。


      “光学材料与超构材料实验室”简介
       光学材料与超构材料实验室的主要研究领域为非线性光学、光学超构材料、光学超构表面、纳米光学等，主要研究方向是“非线性光学超构表面的时空调制”。光学超构表面是一种能够对电磁场在亚波长尺度上进行调控的超薄人工界面。超构表面的重要性不仅在于物理概念上的新颖，更在于其在光学材料领域的重要应用。例如，利用光的贝里几何相位可设计出高效率的超构表面全息光学元件，从而可实现光场的连续相位调控、广角、宽光谱及高效率的光学全息成像。相关研究在光信息处理、光束整形、光的自旋轨道相互作用等领域具有重要的应用前景。
      2015年，李贵新等在光学超构表面上揭示并实验验证了非线性光学贝里几何相位。利用非线性光学几何相位的原理，在亚波长尺度上通过简单旋转超构功能基元的方向，进而可以实现对非线性光波的相位从0-2π的连续调控。这为设计新型的非线性光学材料提供了重要的理论与技术方案。2016年，李贵新等将超构表面上非线性光学贝里相位从空间域拓展到时域，即实现了非线性光学贝里动态相位。首次实验上验证了诺贝尔奖获得者N. Bloembergen四十多年前提出的非线性光学旋转多普勒效应。
    “非线性光学超构表面的时空调制”这一涉及了光子自旋-轨道相互作用、结构光与结构物质相互作用、光学旋转多普勒相应、超快光开关、强场光学、微纳尺度非线性光源等领域的研究方向。我们希望在这一新的研究方向上，探索出更多有意思的原创性研究成果。