31歲博后回國即領銜實驗室，今實現零的突破

2020年底，31歲的李煒結束了在美國近10年的求學和工作，加入中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱長春光機所），并出任微納光子學與材料國際實驗室主任。該實驗室是吉林省3家國際科技合作重點實驗室之一。

李煒

5月15日，李煒團隊在《自然》發表了題為“Dispersion-assisted high-dimensional photodetector”的論文。長春光機所是第一完成單位，這也是該所成立72年來首次在《自然》發表論文，實現了零的突破。

“我們在國際上首次利用單個器件、單次測量，實現了高維度光場的光譜、偏振、光強等信息。”李煒向《中國科學報》介紹了這篇論文取得的突破性進展。

近年來，李煒帶領著一支年輕的科研團隊，既在基礎研究前沿探索，又在嘗試解決應用難題。

光學領域研究很少登上《自然》

“每年《自然》會發表很多來自不同研究領域的高水平論文，但光學領域的論文非常少。這次的研究成果能夠在《自然》發表，我們感到非常振奮。”李煒說。

據了解，李煒等人研究的光場不僅包括日常生活中可以感受到的光的強度，還包括光譜、相位、偏振等多個維度的信息。

李煒表示：“通過對光場傳輸的理解和調控，我們可以實現對光的精細操控，并獲得更豐富的光學信息。”

“過去對光場的探測，由于探測器件維度相對受限，往往只能探測單一的光譜、偏振、強度等。如果要考慮復雜和混合的狀態，只能采用多個探測器或者進行多次測量。”李煒介紹，“我們的研究僅需單個器件就能夠將高維光場的信息全部映射到單次測量成像結果之中，并通過深度學習方法來解碼偏振和光譜信息，最終實現高維度光信息的探測。”

高維光場探測方法的原理示意圖

談及研究的亮點，李煒稱，最主要的亮點是發現了光學基本原理背后的隱藏信息。研究利用光學界面的空間色散和頻率色散特性，在波矢空間（在一個特定的波形中，波的傳播方向和波的振動方向的夾角所構成的空間）對偏振和光譜響應進行調控，通過簡單的光學元器件和成熟的鍍膜技術實現了對復雜高維光場的探測。

“這項研究不需要新奇的材料和精細的微納加工。”李煒說，“我們只用到大學課本中的知識，就找到了解決如此復雜高維問題的鑰匙，也許這就是‘大道至簡’的魅力。”

考慮到這項研究可能會給多個領域帶來重要影響及其巨大潛力，李煒等人決定向《自然》投稿。

“3位評審專家對研究的創新性都給予了高度評價，其中有評審專家評價我們的研究‘填補了領域的空白’，這也是論文順利發表的重要因素。”李煒告訴《中國科學報》。

從零開始的突破

“探測高維度光場信息是我回國后開展的一個新探索，有別于我之前的研究方向。從開始研究到論文發表，歷時近3年，投稿的過程很順利。”李煒回顧研究歷程說，“長春光機所之前也沒有相關研究基礎，我們從零開始，搭建平臺、購買設備、培養學生、建設團隊，終于迎來收獲。

談及為什么可以在短時間內取得重大突破，李煒表示，最重要的是團隊成員的共同努力，3年的攻關是對團隊意志力的考驗，其間歷經2022年長春疫情封城，團隊多名成員依然堅守在實驗室。今年春節假期，團隊放棄了和家人團聚的機會，在實驗室高效完成了補充實驗和論文修改。

他透露，團隊現在研制的元器件將進一步擴大光學參數的探測范圍，實現超寬帶和高分辨率探測，進而服務遙感探測、分子藥物探測等領域。

在外界眼中，長春光機所以大工程攻關見長。第一臺紅寶石激光器、第一臺單反照相機、第一臺大型電影經緯儀……長春光機所是新中國在光學領域建立的第一個研究所，也是中國光學的搖籃。

在王大珩院士、徐敘瑢院士等老一輩科學家的帶領下，長春光機所不僅創造了十多項“中國第一”，還先后參加了“兩彈一星”“載人航天工程”等多項國家重大工程項目。

這些年來，隨著研究所調整研究布局，以及像李煒這樣的青年人才的加入，長春光機所在基礎研究領域也取得了不錯的成績，并實現零的突破。

前沿與應用并行

回國前，李煒已經拿到國外多所名校教職的offer。當被問及為什么選擇長春光機所時，他說：“長春光機所可以提供不輸國外的一流研究平臺和發展空間，而且我一直向往能回國做一些實事。”

李煒本科的專業是熱能與動力工程。在學習過程中，他對太陽能有了一些了解后，發現“太陽本身是一個大光源，這讓我對光產生了濃厚興趣，并決定在本科畢業后，轉而攻讀光學相關的博士學位”。

2011年，李煒從哈爾濱工業大學本科畢業后，先后在美國范德堡大學和斯坦福大學，完成光學相關的博士學業和博士后研究工作。

李煒團隊在長春光機所開展的另一主要研究方向是熱輻射調控，該領域的研究得益于他之前在光學和熱學的研究背景，因而在國際上建立了一定知名度。

加入長春光機所后，李煒帶領的科研團隊大展拳腳，一邊探索最前沿的基礎研究，一邊嘗試解決產業的應用需求。“前者追求創新性和極限，后者追求可靠性和穩定。”在李煒眼中，“基礎研究和應用需求看似相距甚遠，但其中發現問題、分析問題、解決問題的內核卻是相通的”。

李煒（左二）指導實驗的日常工作照

“研究是開放的，合作也是開放的。”李煒介紹，自己擔任微納光子學與材料國際實驗室主任以來，從美國、日本、法國等引進了多位高水平科研人員，并推動實驗室與國內外頂尖高校研究機構開展學術交流與合作。

如今，實驗室會聚了世界各地的科研學者，外籍科研人員約占五分之一。李煒希望不同國籍、不同學術背景的科研人員優勢互補、形成合力，做出可以在科學領域產生重要影響的成果。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07398-w

*本文圖片均為受訪者提供