獨辟蹊徑舞激光

高妍+毛艷玲

采訪開始，張書練先遞給我們一頁紙，上面列出了15本國內外現用激光原理書籍，并標出了關于激光特性描述的頁碼。這些書中，都把激光特性寫為“單色性（相干性）”、“方向性”和“高亮度”。

“這是一個佐證。目前主流激光文獻普遍存在一個問題。愛因斯坦描述受激輻射時說，激發光子和因激發而輻射出的光子‘同頻率‘同方向‘同相位‘同偏振。相比愛因斯坦的預言，偏振被忽略了。我過去近30年的工作，就是把激光器內部的偏振補上，未知就是沖鋒號。”張書練開門見山地說。

張書練，清華大學精密儀器與機械學系教授、博士生導師，多年從事激光器及精密測量儀器研究，尤其在激光器的正交偏振效應和應用方面做出了突出成績。

激光器正交偏振是指激光器兩個相鄰的頻率的光具有互相垂直的電振動方向（即偏振狀態），它來源于物理上一個很普遍的效應—雙折射。“一切光學材料和光學元件都有內應力，其最突出的表象之一就是雙折射。除了可稱之為雙折射晶體材料外，雙折射還存在于一切光學玻璃元件中。而激光器又是光學元件的集合。一旦要求激光器的功率高度穩定，光束高度相干，激光器內的雙折射和激光器中的正交偏振的影響就應該加以研究了。”

正是基于這一認知，張書練帶領課題團隊圍繞激光器的正交偏振，從現象—原理—器件—應用等多個層面開展了長期、系統的研究工作，全面揭示了相關物理現象；同時，他以這些現象為原理，研制成十余種國內外獨有的精密測量儀器用于超精密測量，已經在教學實驗、科學研究和工業生產中實現較為廣泛的應用，社會效益顯著。

憑借這個“創新性的、從基礎研究到應用研究的較為系統、完整的學術體系”，和一系列不可替代的儀器產品，張書練帶領課題團隊在一個傳統認為比較狹窄的領域，開拓出了一片廣闊的天地。

到現在，張書練已發表論文350余篇（約200篇被SCI收錄），獲得專利60余項，出版中文專著《正交偏振激光原理》和英文專著《Orthogonal Polarization in Lasers： Physical Phenomena and Engineering Applications》兩部。

突破傳統，交叉學科譜新章

上世紀60年代中期，清華大學在四川綿陽建立分校。作為精儀系光學專業的學生，張書練隨校遠赴綿陽，直到后來留分校任教，考研，讀研，他一直在光學、激光領域學習、工作。

60年代末70年代初，周炳琨院士創建激光專業。因為光學與激光相近，張書練被納入電子系激光隊伍，搞了六七年激光研究。1978年，為了充實自己，張書練參加“文革”后第一屆研究生招考，被清華北京本部精儀系錄取回到了北京，畢業后又在精儀系任教。

在電子系，學的、研究的、講的課都是激光。在精儀系，機械是基礎，每天接觸到的是制造、測量。在兩種學科知識的熏陶下，張書練的思維方式表現得越來越與眾不同，“我更容易把激光的問題和測量問題聯系到一起”。

長期以來，在精密測量領域，激光器就是一只“高質量的燈泡”，做光源使用。“做激光器的人不管測量，做測量的人不管激光器內部原理的事，而我就總愛拿激光器做文章，研究激光器里的問題，看能不能利用激光器的內部特性實現高精度測量的要求。”

正是這種交叉學科的知識儲備和思維上的跳脫不羈成就了張書練的獨特，他利用自身優勢，擺脫了傳統思維的限制，通過改變激光器的內部結構，使激光器本身成了能夠用于測量的傳感器，且擁有優于傳統測量儀器的性能。也就是說，在張書練這里，激光器自身就是傳感器，傳感器本身就是激光器。

說起來容易，做起來難，特別是在這種研究很少甚至空白的領域。在最初的很長一段時間里，資金欠缺，人員不繼，再加上周圍質疑的聲音，張書練的每一步都十分艱難。

“好在我們沒有放棄，又得到多位前輩的支持，我們走過來了，而且不斷有新的東西出來。”從上世紀80年代開始，張書練穩扎穩打，不疾不徐，逐步展開，用青春和汗水將那個小小的幼苗，澆灌得枝繁葉茂。

“激光器的基本結構很簡單，由三個元件組成，就是兩個反射鏡，和它們之間的一塊（或一根）激光放大物質。”“但一旦牽扯到激光放大物質，物理現象就會變得復雜多樣。”張書練發現，在激光器內置入雙折射晶體（石英，KDP）會出現奇妙的激光現象；他還發現，置入激光器的透鏡、棱鏡、窗片甚至激光器反射膜的內應力（雙折射），也對激光器的輸出光束性質產生重要影響。最突出的就是會使激光器發射的一束光內含電場互相垂直的兩種光成分，就是所謂正交偏振。為了透徹、全面地了解激光器正交偏振現象，他帶領研究組開始了研究，先后有60多名教師、博士后、博士生、碩士生參加。

他們不斷改變激光器的結構—

在激光器內部（即兩個反射鏡之間）加入一個雙折射元件，加上激光放大物質，使其構成激光四元件系統；

在激光器外部光路上放置一個雙折射元件，再加一個回饋鏡構成五元件系統；

再將上述兩種系統組合成六元件系統；

在這一過程中，他們變換雙折射的方向、強度，使用不同的固體、氣體激光材料……

每一個元件的增加，都會引起激光物理特性的變化，都有新現象發生。在很長一段時間里，他們對照一般激光器，逐一研究雙折射對氣體、固體激光器的偏振、頻率、線寬、功率及穩定性等影響，不斷嘗試，總結發現了20多個含雙折射的激光器才有的或顯著加強、影響重大的特性，如正交偏振、回饋偏振跳變、強度競爭，相位延遲等等。

作為發現的部分現象的推廣，他們構建了大學激光原理基礎實驗系統，可觀察到以往不能觀察的模分裂、模競爭，正交偏振等現象，使實驗達到了新的高度，得到北師大、首都師大，哈工大、西安理工大學、昆明師大、四川大學等多所學校的高度認可。

頻頻出新，個個獨一無二

因為選擇了一條別人從未走過的路，所以他們的腳下注定步步生花。基于對激光器正交偏振現象及其物理特性研究的成果，張書練帶領團隊發明了十余個獨一無二的精密測量儀器，并逐步推廣應用，一步步朝產業化穩步邁進。

物理學中，七個基本物理量度量世界，第一個就是長度。所謂納米時代，納米的“大小”就是由激光干涉儀測定的，大規模電路的納米線條亦是。張書練的儀器就主要是納米精度的測量，包括測量位移、距離、相位等，但都采用了自己提出的原理。

張書練課題組在激光器內置入雙折射光學元件，使一個激光縱模分裂成兩個偏振正交、間隔可調的頻率，頻差可從40 MHz到1千MHz選擇，并據此發明了頻差大于40 MHz的雙折射雙頻激光器。

在雙折射雙頻激光器上施加橫向磁場消除模競爭，發明了雙折射—塞曼雙頻激光器，其功率可保持1毫瓦，頻差在500MHz的大范圍內自由選擇，解決了重大儀器“雙頻激光干涉儀”無滿意光源可用的難題。

以此雙折射—塞曼雙頻激光器為核心器件發明的雙頻激光干涉儀，不因頻率差的增大而影響功率，成為測速高、功率也高的雙頻激光干涉儀。

基于正交偏振激光器諧振腔長度改變（調諧）時依次出現的三種偏振特性，發明了測量位移的激光器納米測尺。激光器自身即位移測量傳感器，結構簡單成本低。在12毫米量程內，它能夠測量出79納米的微小移動，線性度達到十萬分之幾。此外它還具備一個顯著的優點—自校準，即它能夠自行校準自己的“刻度”，而不像其他傳感器需要上一級儀器校準。

世界最高精度的光學材料相位延遲測量儀器也是出自張書練團隊之手。光學相位延遲是材料內應力、雙折射和波片質量的表征。經過十余年研究，運用激光器頻率分裂效應“激光器輸出的頻率差和其內的相位延遲成正比”的基本原理，先后攻克了頻差死區、頻差調諧異常、自身相位延遲、環境溫度漂移等難題，研制出激光頻率分裂雙折射/波片測量儀，并實現自溯源到長度基準—激光波長，使“測量”成為“計量”。

該儀器精度可達萬分之一波長，是世界上最高精度測量任意大小相位延遲的儀器。“小可到元件加工造成的內應力，大可到四分之一波片、半波片和全波片相位延遲。”可用于測量國內外同類儀器不能測出的極微小內應力，如光學拋光中形成的內應力，也可以進行常規鍍膜的光學元件和波片測量。同時，測量過程自動化，除取放樣品外，無需人工操作，15秒內自動完成測量。

該儀器逐漸成為不可替代的光學元件微小內應力和光波片相位延遲的測量設備，在產品質量控制過程中發揮了重大作用。2011年，相關研究成果匯總而成的“波片相位延遲測量裝置的校準方法”被國家標準局批準為國家標準。這是世界上第一個波片測量標準，有望統一國內乃至世界的各種波片測量方法。相關項目“光學元件內應力、雙折射和光學波片相位延遲測量的新原理和儀器”獲2010年度國家技術發明二等獎。

特別值得一提的是，他們還研制成功了國內外第一臺以激光回饋（被測目標把激光束反射回激光器內）為原理的納米分辨率的固體激光回饋干涉儀。它最大的特點就是能夠無接觸地測量微、輕、薄、黑、燒紅等目標的移動量，以及水、酒精等液面的位移和高度變化，是目前國際上唯一完全不需要在被測物上加附件配合的干涉儀。“比如監測航天相機的支架和鏡面變形，就可以用我們的干涉儀，不需要在相機上加任何附件。加附件會引起相機形變。”目前該儀器已經開始產業化，已在美國圣路易斯華盛頓大學、合肥工業大學、上海理工大學、北京理工大學等處應用，使用情況良好。

在這些之外，張書練的實驗室還有很多世界首臺，同時，他的腦子里還裝著太多想要去研究的東西，“我們可能缺別的，但從來不缺新的思想”。

堅定信念，現下絕非終點

張書練常常對學生說：“不要爭論，不要管別人說什么，專心做自己的事。”

正是憑借這種信念，張書練才能夠在他的儀器原理常常不被理解的情況下，堅持到今天。從現象到原理，到儀器，到應用，張書練帶領團隊圍繞一個點構建了一個面，形成了一個相對完成的體系，呈現出了激光器正交偏振的全貌。

在張書練看來，對目標的正確選擇和不懈堅持，正是一個團隊帶頭人最重要的品質。“必須下定決心走自己的路，把一件事當成自己的終身事業來做。可是走自己路的時候別人并不一定認可。新的學術觀點，新的原理往往受懷疑。如何堅持下去，就是一個帶頭人要經受的困難和考驗。”

張書練認為，評價一個研究人員的價值，“不是說了多少話，關鍵是你有沒有上書架，有沒有上貨架”。顯然，“上書架”的目標已經實現，而且是他自己的研究成果總結成書。現階段，張書練正在爭取更多、更大規模地“上貨架”。

事實上，張書練團隊的大名已經在多年的研究過程中名揚國內外，大家都知道他這里有獨一無二的好東西。不少人找上門，請他幫忙測量。更有些時候，當儀器還只能稱為樣機的時候，就有人慕名上門尋求測量方面的幫助了。也有不少單位買了張書練研制的儀器，有美國、德國的大學和公司，也有韓國的公司。國內某單位使用他的儀器測出了現有儀器都不能測出的光學加工產生的極微小的應力，解決了大問題。“行家識貨，用戶買貨，不必在意局外的評說。” 張書練說。

盤點自己手里已經具備產業化條件的十幾類儀器，張書練也在認真實施產業化的事宜。他希望國家的投入有所產出，希望自己和團隊的成果能夠在國內外推廣，產生越來越大的經濟效益和社會效益，能夠得到更大范圍的認可和肯定。

他也曾感慨，“在激光理論和技術發展到如此高度的今天，居然留下如此一塊科學空地讓科學家去發掘。”而自己有幸誤打誤撞進入了激光器的“內部”，闖進了這片天地，就一定會堅持下去，努力讓這片空地綠蔭滿天。至于人們的質疑，他并不爭論，他堅信時間會給出最客觀的結論：“我們的發現、發明都有文章，專利，也都系統寫進專著里去了，國內外誰都看得見。”

愛因斯坦說；建立一種新理論不是毀掉一個舊倉庫，在那里建立起一個摩天大樓。它倒是像爬山一樣，愈是往上爬愈能得到新的更寬廣的視野，并且愈顯示出我們的出發點與其周圍廣大地域之間的出乎意外的聯系。但是我們出發的地點還是在那里，還是可以看得見，不過顯得更小了，只成為我們克服種種阻礙后爬上山巔所得到的廣大視野中的一個極小的部分而已。

顯然，張書練課題團隊就是在攀爬一座高山，路途注定坎坷，頂峰不可預知，但目前能夠百分百確定的是，30年的努力攀爬之后，他們的“出發點”確實已經成為了“廣大視野中的一個極小的部分而已”。