曾和平(華東師範大學長江學者)

曾和平，男，1966年8月出生。1990年本科畢業於北京大學物理系，1995年中國科學院上海光機所獲得理學博士學位。華東師範大學長江學者， 國家重點實驗室主任 理工學院物理學系， 精密光譜科學與技術國家重點實驗室 長江特聘教授、國家傑出青年基金獲得者。

基本介紹

• 中文名：曾和平
• 出生日期：1966年8月
• 畢業院校：北京大學物理系
• 性別：男

人物生平

曾和平，1966年8月出生，博士。教育部“長江學者獎勵計畫”特聘教授、國家傑出青年科學基金獲得者、華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室主任與學術委員會副主任、新世紀百千萬人才工程國家級人選、上海市優秀學科帶頭人、教育部“長江學者獎勵計畫”創新團隊學術帶頭人‚是十五“211”重點學科建設、985二期“精密光譜科學與技術”學科建設、“精密光譜與精密測量”學科建設、上海市 “電磁波譜學”重點學科、華東師範大學光學國家重點學科建設、和上海市重點學科建設等項目學術帶頭人。先後在德國Max-Planck量子光學研究所、日本京都大學、日本理化學研究所、日本綜合研究院大學、澳大利亞悉尼大學從事合作研究工作。專業為單光子通信與超快雷射技術。

他在雷射與物質相互作用中的非線性光學與量子效應、超快雷射技術、量子保密通信系統及量子信息處理技術等方面的研究中取得了一系列富有創新意義的研究成果：發展完成了一系列量子密碼分發的實用化關鍵單元技術、實驗實現了通信距離長達50公里的穩定的量子保密通信系統、首次提出利用Sagnac環形干涉儀實現穩定的長距離量子密鑰分發並發展出一系列相關技術、首次提出了利用多光束激發級聯拉曼過程或相互耦合的級聯拉曼過程等幾種產生大間距的亞飛秒雷射脈衝序列的新技術、首次實驗證明調製參量放大的新物理機制並發展出超快雷射脈衝調製上轉換參量放大的新技術。在華東師範大學組建了量子保密通信實驗室、超快雷射物理與技術實驗室、大功率緊湊型超短雷射技術實驗室。　主要從事兩方面的研究：一是富勒烯有機功能化及其富勒烯衍生物分子磁性，超導電性和非線性光學活性研究；二是重要生物活性物質化學結構特徵與控制合成，系統研究了螺旋藻多糖、龍葵多糖、黑海參多糖和蛇床子多糖等重要生物活性物質的化學特徵。主持國家自然科學基金研究項目2項、省部級項目8項。發表論文70多篇，獲授權發明專利1項。2002年被教育部評為高等學校優秀骨幹教師。

研究方向

光場精密控制及其在精密光譜學中的套用

包括：瞄準精密光譜科學與技術深入發展所涉及的關鍵科學問題：如何進一步提高光場精密控制與精密光譜的精度、解析度和靈敏度;及其物理極限；拓展精密控制的光場強度和頻譜範圍所涉及的非線性過程中相干特性和量子特性如何保持；光場時-頻域精密控制與超高靈敏度的單量子測控的如何協同結合等等。為此‚在原理上發展基於單量子精密測控與光場時-頻域精密控制及其協同操控的精密光譜學新概念；在技術方法上發展進一步提升光場精密控制精度、靈敏度、穩定度和空間解析度的新方法； 在學科前沿領域開拓上‚發展極紫外/中遠紅外光梳精密光譜學等新興學科分支的研究;實現分子中電子波包控制和分子振轉指紋光譜靈敏檢測；在高技術套用上‚在分子體系中實現時空超高分辨與頻譜超高精度的控制;發展單光子光學的量子器件與技術。從而進一步拓展光場精密控制的內涵、概念及其套用領域。發展進一步提高光場精密控制及精密光譜學的精度、靈敏度、穩定度、空間和頻譜解析度的新原理和新方法。

在以高分辨、高精度、高靈敏為特徵的精密光譜學研究領域‚不斷挑戰並突破時間高分辨、頻率高精度、高靈敏度的現有水平已成為科學家追求的目標‚也成為重大科學發現的新起點;同時是發展具有戰略意義的尖端高新技術的重要科學基礎。近三十年來;通過對光場頻域的精密控制;結合原子分子精密測控直接導致了原子頻標－原子鐘技術的發展。超快精密光譜學為人類不斷地突破時間分辨極限提供了強有力的新手段;已經並將繼續使人類在更深的層次上進一步認識微觀世界物質內部的能量轉移和信息傳遞過程。頻譜精度的提高、時域超高分辨的精密光譜學的持續發展‚都依賴於在超快時間尺度上以更高的精度在更寬的頻譜範疇、更高的光強、或更高的靈敏度等多維操控光場。光場精密控制無論從原理和技術上都在深入發展‚正向更高的頻譜精度和更高時間解析度、單光子測控的超高靈敏度、拓展頻譜和場強範疇等多方面推進‚也在進一步促進精密光譜學新概念與新原理乃至新學科分支的誕生。例如‚飛秒光梳技術推進到極紫外和軟X射線超短波段;最終可能產生X射線區域的原子鐘‚在相干控制分子中電子波包的極端超快過程等方面也非常有用。

研究內容

1. 新波段飛秒雷射頻率梳與全波段光梳精密光譜學研究：

發展極紫外和中遠紅外等新波段光場時-頻域精密控制及其高精度相干傳遞的新方法‚解決不同波段光場時-頻域精密控制的相干傳遞、飛秒光梳高功率放大中相位噪聲抑制、高階非線性過程中相干傳遞等關鍵科學問題；在中遠紅外和極紫外波段‚基於f-2f或0-f的超短脈衝載波包絡相位的常規測量方法不再適用;我們將發展新方法實現載波包絡位相測量和精確控制。在此基礎上‚拓展極紫外和中遠紅外光梳精密光譜學、高功率光梳非線性光譜學等全波段“光梳精密光譜學”新前沿。開創光梳精密光譜學與量子調控、單光子光學、表面非線性光學、表面電漿光學等學科領域的交叉研究;結合多波段飛秒光梳;實現分子振轉指紋光譜高分辨檢測‚在複雜分子體系中實現時空超高分辨與頻譜超高精度的控制。

2. 超快精密分子光譜學研究：

在超快時間尺度更高精度地操控光子‚跨越到更深的層次上認識分子內部的結構和運動過程‚發現新現象和新規律。通過時頻域精密控制的超快雷射與分子相互作用的多維控制;探測和操控分子解離/電離、分子結構演化、分子反應動力學等超快過程。發展相干操控分子中電子波包的極端超快運動、分子振轉指紋光譜高分辨檢測、時頻域高分辨的分子非線性共振激發和調控等新方法和新技術。

3. 單光子光學及其高新技術套用開拓研究：

研究飛秒光梳的量子特性;探索如何實現光場時-頻域精密控制（高精度和高解析度）和光子調控（高靈敏度）的有機結合‚實現光子與原子協同操控以及高保真量子轉換與控制。不斷提高光譜的檢測靈敏度;特別是建立量子極限的超靈敏光譜學技術方法、發展高效率單光子探測及操控的新技術新方法。把光子精密操控技術用於單光子信息處理與單光子通信;在發展量子網路、量子保密通信等絕對保密安全的信息技術方面發展實用化技術和創新器件。

“長江學者與創新團隊發展計畫”創新團隊學術帶頭人

國家光學重點學科、上海市光學重點學科、十五“211”重點學科負責人

國務院特殊津貼獲得者、 上海領軍人才“國家隊”人選

新世紀“百千萬人才工程”國家級人選

精密光譜科學與技術985平台學術帶頭人

研究背景

精密光譜學正迅猛地延伸發展為基於強場超快的精密光譜學、以及與此密切相關的強場超快光場的時頻域精密操控、極紫外與軟X射線等極短波段非線性光學與非線性光譜學等新興前沿學科的開拓。20世紀末發展起來的飛秒雷射穩頻技術突破了光場時域和頻域研究領域的隔閡‚開拓了對光場時-頻域同時精密控制研究的新時代。基於強場超快雷射的時-頻域精密操控;可直接將光梳技術延伸到極紫外(XUV)和軟X射線超短波段;在超快時間尺度與超短波段範疇更大程度地操控光子‚將跨越到更深的層次（超高時間分辨、超高頻譜精度）上認識微觀世界物質內部的能量轉移和信息傳遞過程等‚為精密光譜、量子調控等前沿研究提供新概念與新方法‚開闢超短波段精密光譜測量新前沿;最終可能在X射線區域產生原子鐘‚有望提升時間頻率度量的精度。使得光鐘、光學頻率合成與測量、超短光脈衝相干合成、物理常數精確測定等一些戰略高科技研究項目從夢想變成了可實現的目標‚也為在未來信息科學技術的發展中超越當前信息處理速度的極限提供了嶄新的概念方法和核心技術支撐。

不斷提高光譜的檢測靈敏度;特別是建立量子極限的超靈敏光譜學技術方法、將為揭示物質的新的結構和新的現象、探索微觀世界物理規律、以及認識原子分子結構以及實現微納結構的量子調控提供高精度、高解析度、高靈敏度的科學方法和技術手段;這已經成為當前科學技術發展的極為重要的前沿內容。把精密光譜的檢測靈敏度提高到單光子的量子極限水平必將涉及單光子的產生、探測、非線性操控等靈敏度極限的挑戰‚這不僅直接與當今極為關注的單光子信息處理和單光子通信緊密相關;而且還是單分子、單量子點、量子調控、量子器件、紅外信號的傳輸和探測等前沿研究必不可少的手段;在現代通信的安全性確認等領域有重要的套用。例如：量子信息科學也正以驚人的步伐向前發展‚把光子精密操控技術用於單光子信息處理與單光子通信;在發展量子網路、量子保密通信等絕對保密安全的信息技術方面有十分重要的科學意義。信息安全是當前信息科學技術領域所關注的重要問題之一。高效率單光子探測及操控由於其擁有的巨大的科研價值和戰略地位已經成為近年國際研究的最活躍的領域之一。單光子探測和操控不僅僅是現代信息科學、精密測量、量子技術、超靈敏探測等前沿學科的迫切需要‚其自身的迅猛發展帶來了系列化原理和概念的突破;已經形成一個嶄新的學科分支：單光子探測和操控物理學;正在持續地推動分子電子學、表面等離子激元學、紅外光子學等新興學科以及相關高新技術的發展。然而‚單光子探測及操控的研究;尤其是紅外單光子的探測目前面臨著一些瓶頸問題亟待突破;介於光電探測材料與器件所受到的物理極限制約‚當前國際上研製成的各種紅外探測器件僅能工作在經典極限範疇;實現從經典極限向量子極限跨越是其發展趨勢;從基於經典的光電轉換到直接利用量子效應來探測、從雪崩探測方式到量子態的調控和量子材料的能帶控制方式、從傳統的幾何光學耦合到基於光子與電子以及電漿激元等多量子體系的相互耦合的光子收集方式、從最佳化光電轉化和雪崩放大過程到摻雜量子點的耦合控制及其新奇效應探索等多方面已經顯示單光子探測與操控已在初步實現跨代發展的勢頭。伴隨單光子探測物理與技術跨代發展的研究進展‚一系列新的研究課題成為當前的前沿和熱點;一些嶄新的概念現繼湧現：例如‚基於光子晶體的新奇效應和金屬微納結構電漿學方面的新奇效應等大幅度增強光子與電子的耦合；基於半導體雜質量子態調控的新奇效應以及光子與探測器激活層相互作用的控制提升光電轉換效率；基於單量子結構中新奇效應的量子放大大幅度增強探測靈敏度;等等。目前‚在自平衡雪崩式紅外單光子探測、超導單光子探測、量子點或分子共振隧穿單光子探測、單光子電晶體、仿生單光子探測、量子上轉換拓展單光子探測波段等方面相繼取得了一些誘人的原理與概念以及技術的突破。本研究方向擬瞄準當前單光子探測跨代發展的研究前沿;組織“精密光譜科學與技術國家重點實驗室”相關課題組聯合攻關;形成學科特色和與我國急需的紅外探測與靈敏光譜檢測等方面可用高新技術銜接的研究平台;進一步強化我國單光子探測物理與技術的前沿研究和國際競爭實力‚更好地支撐我國紅外光電探測技術的持續發展。

特別值得一提的是;超快、超精密、超靈敏精密光譜的研究將對信息技術領域產生深遠的影響。當前信息處理的單元越來越小;已經達到量子尺度‚在量子尺度的信息存儲單元的讀寫對超靈敏光譜探測提出極大的挑戰‚發展量子極限的超靈敏光譜技術方法以及與此密切相關的超快、超精密光譜學新原理新方法必將成為今後若干年的精密光譜科學與技術及其交叉學科研究的重要前沿。發展時-頻域精密控制的紫外超快光源將為後微電子時代的信息處理單元的表征提供必不可少的技術支撐。我們的研究將針對超快、超精密、超靈敏面臨的挑戰及其在未來信息科學技術的套用;開展一系列關鍵科學問題探索並開拓若干具有前瞻性的核心技術;特別是具體針對未來信息科學技術、量子調控等前沿學科發展的主要問題‚例如：未來通信能有多快、通信能否絕對保密、信息如何實現超快與超靈敏探測、信息存儲單元如何讀寫、分子以及寬頻能隙的量子結構材料中的電子運動能否成為超快信息處理的基礎等。為解決這些問題提供必要的物理基礎和關鍵技術貯備。

成就貢獻

1990年畢業於北京大學物理系;1995年畢業於中科院上海光機所獲理學博士學位。先後在德國馬普量子光學所、日本京都大學物理系和理化學研究所從事合作研究。2000年受聘為華東師範大學長江特聘教授回國工作‚2000年以來立足國內組建了單光子精密測控和超快光子操控二個具有國際競爭實力的實驗研究平台;圍繞飛秒時間分辨以及單光子水平靈敏度的光場精密控制及其套用開展實驗研究。

回國至今在國際著名學術期刊上發表學術論文130餘篇（其中包括4篇Phys. Rev. Lett.、21篇Appl. Phys. Lett.、12篇Opt. Lett.、15篇Opt. Express、23篇Phys. Rev.A等）‚申請國內國際專利30多項。取得了若干具有重要國際影響的研究成果。解決了單光子測控、編碼、長距離傳輸偏振敏感等關鍵技術問題‚研製成新型單光子探測儀;其關鍵技術指標優於國際最好報導；提出並實現了Sagnac型分時相位編碼與解碼技術;被美國Los Alamos國家實驗室等編撰的《Quantum Information Science and Technology Roadmap》引用為代表性方案之一；實現單光子水平的頻率轉換;獲得至今國際上最高的量子轉換效率和最低轉換噪聲‚成為紅外單光子測控的有效的技術途徑之一；在長距離光纖中首次實現了以前被《A Quantum Information Science and Technology Roadmap》認為極具挑戰性的長期穩定的單光子偏振編碼‚完成穩定的長距離量子保密通信系統。基於納米金剛石色心發光‚獲得室溫下長期穩定發射單光子的新方法‚Science評論文章認為這是有望套用於地對星量子保密通信的實用化單光子源。在超快光子操控實驗方面發現一系列新物理效應並發展成新技術;實驗證明調製參量放大的新物理機制並發展出超快雷射脈衝調製上轉換參量放大的新技術;可以獲得比常規的光學參量放大至少大一個數量級的上轉換放大脈衝輸出。發現超短雷射脈衝多種新型的時空局域光子彈及其時空整形控制;發展了二種控制新方法實現載波包絡相位的自動穩定‚提出了表面電漿共振增強超快光場精密控制的新概念和紫外飛秒光學頻率梳產生新方法‚在拓展精密控制技術方面突破實現了多種新型超快光子源‚實現平均功率為262W的高重複頻率超短脈衝放大‚為紫外光學頻率梳產生研製成高功率驅動源。

作為項目負責人承擔了多項國家及省部級重點基金項目的建設‚其中包括：國家自然科學基金傑出青年基金1項、自然科學基金面上項目4項;“973計畫”課題3項;上海市重點學科項目1項;上海市優秀學科帶頭人項目1項;上海市科委國際合作項目2項;上海市科委重點項目4項。在多個項目驗收中被評為優秀‚在研各項目進展良好。累計指導博士生24人;其中已獲得博士學位9人。指導的學生多次獲得國際上和省部級以上獎項;如：全國百篇優秀博士論文提名獎 (1人次)、上海市研究生優秀成果獎 (4人次)、饒毓泰基礎光學一等獎 (1人次)、饒毓泰基礎光學優秀獎 (1人次)、Einstein Award（愛因斯坦獎）(1人次) 、全國青少年科技創新獎 (1人次)、上海市青少年科技創新市長獎 (1人次)、上海科學技術進步二等獎（1人次）、入選參加58屆德國林島諾貝爾獎得主大會訪問（3人次）等。