随着科技的不断发展，光电技术作为新世纪以来快速发展的新兴技术，在当今社会已经成为各行各业中不可或缺的重要工具。光电设计自动化软件（PEDA）对光通信、光计算、光显示、光传感、光存储等领域发挥着重要的支撑作用，但这一直是我国光电信息产业发展的“卡脖子”问题，也是“十四五”规划“新基建”的重大需求。光学基础研究是光电领域科技创新的关键，而PEDA“瓶颈”主要是由于缺乏光电仿真设计软件的底层光学物理模型及核心算法的积累不足。
华中科技大学光学与电子信息学院教授、武汉光电国家研究中心及华中科技大学集成电路学院双聘教授陈云天，作为我国知名光电专家，他的研究方向主要包括研究线性及非线性介质／结构中光传输和散射的物理现象，光电器件的理论建模、仿真与设计优化，以及光学数值计算方法和软件开发。近年来，陈云天聚焦于复杂介质光传输的光学基础理论和底层数值算法的研究，取得了一系列创新性的科研成果。他不仅突破了国外技术的垄断，也克服了光电领域常规商用仿真设计软件的底层限制，为我国光电技术的发展做出了重要贡献。
揭秘光学系统隐藏对称性
陈云天是一名“八零后”，生于1982年，2005年本科毕业于天津大学，2007年获得浙江大学硕士学位，在此期间，他还获得了瑞典皇家工学院的硕士学位。硕士毕业后，陈云天前往丹麦科技大学攻读博士，2010年获得博士学位，并于2011至2013年在丹麦科技大学从事博士后研究。2013年，陈云天入职华中科技大学光学与电子信息学院，主要研究复杂介质／结构中光传输和散射，光学基础理论／数值算法／仿真软件开发。
据陈云天介绍，在物理学领域中，对称性原理是现代物理学发展的基石，在人们揭示自然规律和建立物理定律的过程中起到了关键作用。而光学作为物理学的一个重要分支，对称性之于物理学的重要性同样适用于光学体系。陈云天表示，光学体系的对称性也会导致能带简并，利用对称性可以将复杂的光学问题化繁为简，对于揭示光传输、散射的新原理和新现象，光场调控相关的新应用，以及光学器件的设计起到至关重要的作用。
在此之前，陈云天曾研究证实光学体系存在着空间群无法解释的隐藏对称性，光学隐藏对称性涉及奇异光学、手征光学与拓扑光子学等多个前沿交叉领域，具有丰富的物理内涵和宽广的应用前景。但一直以来，光学体系隐藏对称性的根源缺乏深入研究，陈云天早期在光学体系中做了显式对称性相关的工作，不同于光学体系中显式对称性的研究有强大的群论工具可供使用，也有凝聚态领域的相关工作可以借鉴，光学体系隐藏对称性的相关研究没有成熟的工具可供使用。在国家自然科学基金支持下，陈云天经过前期的探索，初步证实可借鉴分析力学的理论框架，进而系统全面地研究光学体系的对称性和隐藏对称性，并在此基础上研究隐藏对称性诱导的高阶简并及相关效应与应用。
此外，陈云天借鉴杨振宁先生的规范变换思想，将光束等效为光粒子流（几何光线），将偏振等效为自旋，并将复杂介质中光与物质的相互作用等效为作用在自旋态上的规范场，从而将复杂介质环境下光传输的麦克斯韦方程重新表述为光粒子流的方向和粒子自旋相互耦合相互作用的动力学方程，揭示了复杂介质中光传输的非阿贝尔规范场效应导致的另一种独特的隐藏对称性，为复杂介质中光传输理论分析和数值计算提供了新的解决思路。
深研跨尺度光学仿真算法与应用
“苟日新、日日新、又日新”，当今时代，创新才是引领发展的第一动力。随着激光雷达和AR／VR技术的发展，其内部的光电芯片与传统光学元器件存在紧密耦合关系，整个系统的设计与仿真涉及微米级尺寸和几何光学尺寸两个尺度。比如，激光武器需要在几何光学尺度校正对目标的成像误差以提高跟瞄精度，同时还需要在微米级尺度上调整位相差，抵消大气湍流引起的波前畸变以恢复相干性较好的波前。AR设备的光引擎部分使用传统透镜在几何光学尺度上输出图像，利用微纳尺度的衍射光栅和光波导等元件实现输出图像与真实世界图像的融合，并传输至人眼。陈云天表示，上述特征尺寸介于波动光学和几何光学之间，或者同时具有波动光学和几何光学特征尺寸的光学元件的仿真称为跨尺度光学仿真。
近半个世纪以来，几何光学仿真与波动光学仿真技术日益成熟，但是针对跨尺度光电器件仿真，几何光学仿真无法得到准确的仿真结果，而全波仿真方法受限于计算机性能，计算时间长，无法满足现代跨尺度光学系统的设计需求。这就需要用到跨尺度光学仿真技术，这种技术需要融合宏观大结构几何光学仿真和微观小结构波动光学仿真，目前仍处于技术发展阶段。
跨尺度仿真技术作为未来发展方向，在国防安全、极端制造、智能芯片、自动驾驶、先进显示等领域有广泛的应用前景和巨大的市场需求。目前我国跨尺度光电仿真软件还处于空白，“十四五”科技重大专项“新能源与智能网联汽车”中关键零部件如车载激光雷达等需要使用跨尺度光电仿真软件设计优化，只能使用国外商业仿真软件提供的替代性方案。针对我国光电子和集成电路产业发展中面临的PEDA卡脖子难题，基于前期基础理论和仿真算法， 陈云天带领团队进一步研究PEDA通用型跨尺度光学仿真技术的基础理论和底层算法。具体而言，他将几何光线自动化区域分割和波动光学有限元区域分解技术相结合，发展了跨尺度仿真的融合理论和融合技术，力求突破几何光学快而不准和波动光学准而不快的技术瓶颈。
陈云天瞄准的跨尺度光学仿真是未来技术发展方向，在计算光刻技术、晶圆检测、激光雷达、AR／VR等多种跨尺度光学系统中都发挥着基础性作用。他将几何光学和波动光学融合的物理思想应用到数值计算方法中，发展了光学数值计算“几何波”（ray－wave）的初步原型概念。他提出的跨尺度“几何波”的技术路线，得到了VirtualLab Fusion仿真软件创始人Frank Wyrowski教授的高度赞赏。同时，“几何波”作为一体化跨尺度光学仿真算法，领先国外分离拼接的技术路线，面向国家PEDA重大需求与计算光刻等应用需求具有前瞻性。陈云天表示，对跨尺度光学仿真技术的深入研究，能突破几何光学仿真快而不准和波动光学仿真准而不快的技术瓶颈，有机会突破西方的技术壁垒，成为工业软件领域突破西方的技术封锁的破风手，进而带动光电子产业的率先突破。
陈云天表示，当前科研攻关的目标是通过光学、数学及计算机技术的多学科交叉，研究跨尺度光学仿真基础理论和核心算法，完成跨尺度光学仿真算法组件／模块、云端软件平台开发，及技术应用。现已完成了跨尺度光学仿真基础理论构建和“几何波”数值算法的初步验证，但自主可控的跨尺度光学仿真核心算法软件模块还需要进一步完善。未来，他将重点研究跨尺度光学仿真核心算法，实现跨尺度光电器件耦合设计，提高仿真效率和设计效果，适应光电芯片、激光雷达、AR／VR等跨尺度光学系统中的混合光学仿真的技术需求。
科研无坦途，勇攀登绝顶。陈云天深耕光电技术研究领域，取得了丰硕的成果，但他没有停下脚步。不懈求探索，创新谱华章。他将继续在科研道路上阔步前行、不断突破，取得更多成果，用科技点亮未来。（文／王超）
