獨(dú)辟蹊徑舞激光

高妍+毛艷玲

采訪(fǎng)開(kāi)始，張書(shū)練先遞給我們一頁(yè)紙，上面列出了15本國(guó)內(nèi)外現(xiàn)用激光原理書(shū)籍，并標(biāo)出了關(guān)于激光特性描述的頁(yè)碼。這些書(shū)中，都把激光特性寫(xiě)為“單色性（相干性）”、“方向性”和“高亮度”。

“這是一個(gè)佐證。目前主流激光文獻(xiàn)普遍存在一個(gè)問(wèn)題。愛(ài)因斯坦描述受激輻射時(shí)說(shuō)，激發(fā)光子和因激發(fā)而輻射出的光子‘同頻率‘同方向‘同相位‘同偏振。相比愛(ài)因斯坦的預(yù)言，偏振被忽略了。我過(guò)去近30年的工作，就是把激光器內(nèi)部的偏振補(bǔ)上，未知就是沖鋒號(hào)?！睆垥?shū)練開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地說(shuō)。

張書(shū)練，清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師，多年從事激光器及精密測(cè)量?jī)x器研究，尤其在激光器的正交偏振效應(yīng)和應(yīng)用方面做出了突出成績(jī)。

激光器正交偏振是指激光器兩個(gè)相鄰的頻率的光具有互相垂直的電振動(dòng)方向（即偏振狀態(tài)），它來(lái)源于物理上一個(gè)很普遍的效應(yīng)—雙折射?！耙磺泄鈱W(xué)材料和光學(xué)元件都有內(nèi)應(yīng)力，其最突出的表象之一就是雙折射。除了可稱(chēng)之為雙折射晶體材料外，雙折射還存在于一切光學(xué)玻璃元件中。而激光器又是光學(xué)元件的集合。一旦要求激光器的功率高度穩(wěn)定，光束高度相干，激光器內(nèi)的雙折射和激光器中的正交偏振的影響就應(yīng)該加以研究了?！?/p>

正是基于這一認(rèn)知，張書(shū)練帶領(lǐng)課題團(tuán)隊(duì)圍繞激光器的正交偏振，從現(xiàn)象—原理—器件—應(yīng)用等多個(gè)層面開(kāi)展了長(zhǎng)期、系統(tǒng)的研究工作，全面揭示了相關(guān)物理現(xiàn)象；同時(shí)，他以這些現(xiàn)象為原理，研制成十余種國(guó)內(nèi)外獨(dú)有的精密測(cè)量?jī)x器用于超精密測(cè)量，已經(jīng)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)較為廣泛的應(yīng)用，社會(huì)效益顯著。

憑借這個(gè)“創(chuàng)新性的、從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的較為系統(tǒng)、完整的學(xué)術(shù)體系”，和一系列不可替代的儀器產(chǎn)品，張書(shū)練帶領(lǐng)課題團(tuán)隊(duì)在一個(gè)傳統(tǒng)認(rèn)為比較狹窄的領(lǐng)域，開(kāi)拓出了一片廣闊的天地。

到現(xiàn)在，張書(shū)練已發(fā)表論文350余篇（約200篇被SCI收錄），獲得專(zhuān)利60余項(xiàng)，出版中文專(zhuān)著《正交偏振激光原理》和英文專(zhuān)著《Orthogonal Polarization in Lasers： Physical Phenomena and Engineering Applications》兩部。

突破傳統(tǒng)，交叉學(xué)科譜新章

上世紀(jì)60年代中期，清華大學(xué)在四川綿陽(yáng)建立分校。作為精儀系光學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，張書(shū)練隨校遠(yuǎn)赴綿陽(yáng)，直到后來(lái)留分校任教，考研，讀研，他一直在光學(xué)、激光領(lǐng)域?qū)W習(xí)、工作。

60年代末70年代初，周炳琨院士創(chuàng)建激光專(zhuān)業(yè)。因?yàn)楣鈱W(xué)與激光相近，張書(shū)練被納入電子系激光隊(duì)伍，搞了六七年激光研究。1978年，為了充實(shí)自己，張書(shū)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(yè)后又在精儀系任教。

在電子系，學(xué)的、研究的、講的課都是激光。在精儀系，機(jī)械是基礎(chǔ)，每天接觸到的是制造、測(cè)量。在兩種學(xué)科知識(shí)的熏陶下，張書(shū)練的思維方式表現(xiàn)得越來(lái)越與眾不同，“我更容易把激光的問(wèn)題和測(cè)量問(wèn)題聯(lián)系到一起”。

長(zhǎng)期以來(lái)，在精密測(cè)量領(lǐng)域，激光器就是一只“高質(zhì)量的燈泡”，做光源使用?！白黾す馄鞯娜瞬还軠y(cè)量，做測(cè)量的人不管激光器內(nèi)部原理的事，而我就總愛(ài)拿激光器做文章，研究激光器里的問(wèn)題，看能不能利用激光器的內(nèi)部特性實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的要求?！?/p>

正是這種交叉學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備和思維上的跳脫不羈成就了張書(shū)練的獨(dú)特，他利用自身優(yōu)勢(shì)，擺脫了傳統(tǒng)思維的限制，通過(guò)改變激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使激光器本身成了能夠用于測(cè)量的傳感器，且擁有優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的性能。也就是說(shuō)，在張書(shū)練這里，激光器自身就是傳感器，傳感器本身就是激光器。

說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難，特別是在這種研究很少甚至空白的領(lǐng)域。在最初的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，資金欠缺，人員不繼，再加上周?chē)|(zhì)疑的聲音，張書(shū)練的每一步都十分艱難。

“好在我們沒(méi)有放棄，又得到多位前輩的支持，我們走過(guò)來(lái)了，而且不斷有新的東西出來(lái)?！睆纳鲜兰o(jì)80年代開(kāi)始，張書(shū)練穩(wěn)扎穩(wěn)打，不疾不徐，逐步展開(kāi)，用青春和汗水將那個(gè)小小的幼苗，澆灌得枝繁葉茂。

“激光器的基本結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由三個(gè)元件組成，就是兩個(gè)反射鏡，和它們之間的一塊（或一根）激光放大物質(zhì)。”“但一旦牽扯到激光放大物質(zhì)，物理現(xiàn)象就會(huì)變得復(fù)雜多樣。”張書(shū)練發(fā)現(xiàn)，在激光器內(nèi)置入雙折射晶體（石英，KDP）會(huì)出現(xiàn)奇妙的激光現(xiàn)象；他還發(fā)現(xiàn)，置入激光器的透鏡、棱鏡、窗片甚至激光器反射膜的內(nèi)應(yīng)力（雙折射），也對(duì)激光器的輸出光束性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。最突出的就是會(huì)使激光器發(fā)射的一束光內(nèi)含電場(chǎng)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(xiàn)象，他帶領(lǐng)研究組開(kāi)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(jié)構(gòu)—

在激光器內(nèi)部（即兩個(gè)反射鏡之間）加入一個(gè)雙折射元件，加上激光放大物質(zhì)，使其構(gòu)成激光四元件系統(tǒng)；

在激光器外部光路上放置一個(gè)雙折射元件，再加一個(gè)回饋鏡構(gòu)成五元件系統(tǒng)；

再將上述兩種系統(tǒng)組合成六元件系統(tǒng)；

在這一過(guò)程中，他們變換雙折射的方向、強(qiáng)度，使用不同的固體、氣體激光材料……

每一個(gè)元件的增加，都會(huì)引起激光物理特性的變化，都有新現(xiàn)象發(fā)生。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，他們對(duì)照一般激光器，逐一研究雙折射對(duì)氣體、固體激光器的偏振、頻率、線(xiàn)寬、功率及穩(wěn)定性等影響，不斷嘗試，總結(jié)發(fā)現(xiàn)了20多個(gè)含雙折射的激光器才有的或顯著加強(qiáng)、影響重大的特性，如正交偏振、回饋偏振跳變、強(qiáng)度競(jìng)爭(zhēng)，相位延遲等等。

作為發(fā)現(xiàn)的部分現(xiàn)象的推廣，他們構(gòu)建了大學(xué)激光原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可觀察到以往不能觀察的模分裂、模競(jìng)爭(zhēng)，正交偏振等現(xiàn)象，使實(shí)驗(yàn)達(dá)到了新的高度，得到北師大、首都師大，哈工大、西安理工大學(xué)、昆明師大、四川大學(xué)等多所學(xué)校的高度認(rèn)可。

頻頻出新，個(gè)個(gè)獨(dú)一無(wú)二

因?yàn)檫x擇了一條別人從未走過(guò)的路，所以他們的腳下注定步步生花。基于對(duì)激光器正交偏振現(xiàn)象及其物理特性研究的成果，張書(shū)練帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了十余個(gè)獨(dú)一無(wú)二的精密測(cè)量?jī)x器，并逐步推廣應(yīng)用，一步步朝產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)步邁進(jìn)。

物理學(xué)中，七個(gè)基本物理量度量世界，第一個(gè)就是長(zhǎng)度。所謂納米時(shí)代，納米的“大小”就是由激光干涉儀測(cè)定的，大規(guī)模電路的納米線(xiàn)條亦是。張書(shū)練的儀器就主要是納米精度的測(cè)量，包括測(cè)量位移、距離、相位等，但都采用了自己提出的原理。

張書(shū)練課題組在激光器內(nèi)置入雙折射光學(xué)元件，使一個(gè)激光縱模分裂成兩個(gè)偏振正交、間隔可調(diào)的頻率，頻差可從40 MHz到1千MHz選擇，并據(jù)此發(fā)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(chǎng)消除模競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)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(nèi)自由選擇，解決了重大儀器“雙頻激光干涉儀”無(wú)滿(mǎn)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(fā)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(cè)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(zhǎng)度改變（調(diào)諧）時(shí)依次出現(xiàn)的三種偏振特性，發(fā)明了測(cè)量位移的激光器納米測(cè)尺。激光器自身即位移測(cè)量傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低。在12毫米量程內(nèi)，它能夠測(cè)量出79納米的微小移動(dòng)，線(xiàn)性度達(dá)到十萬(wàn)分之幾。此外它還具備一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)—自校準(zhǔn)，即它能夠自行校準(zhǔn)自己的“刻度”，而不像其他傳感器需要上一級(jí)儀器校準(zhǔn)。

世界最高精度的光學(xué)材料相位延遲測(cè)量?jī)x器也是出自張書(shū)練團(tuán)隊(duì)之手。光學(xué)相位延遲是材料內(nèi)應(yīng)力、雙折射和波片質(zhì)量的表征。經(jīng)過(guò)十余年研究，運(yùn)用激光器頻率分裂效應(yīng)“激光器輸出的頻率差和其內(nèi)的相位延遲成正比”的基本原理，先后攻克了頻差死區(qū)、頻差調(diào)諧異常、自身相位延遲、環(huán)境溫度漂移等難題，研制出激光頻率分裂雙折射/波片測(cè)量?jī)x，并實(shí)現(xiàn)自溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)—激光波長(zhǎng)，使“測(cè)量”成為“計(jì)量”。

該儀器精度可達(dá)萬(wàn)分之一波長(zhǎng)，是世界上最高精度測(cè)量任意大小相位延遲的儀器?！靶】傻皆庸ぴ斐傻膬?nèi)應(yīng)力，大可到四分之一波片、半波片和全波片相位延遲?！笨捎糜跍y(cè)量國(guó)內(nèi)外同類(lèi)儀器不能測(cè)出的極微小內(nèi)應(yīng)力，如光學(xué)拋光中形成的內(nèi)應(yīng)力，也可以進(jìn)行常規(guī)鍍膜的光學(xué)元件和波片測(cè)量。同時(shí)，測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，除取放樣品外，無(wú)需人工操作，15秒內(nèi)自動(dòng)完成測(cè)量。

該儀器逐漸成為不可替代的光學(xué)元件微小內(nèi)應(yīng)力和光波片相位延遲的測(cè)量設(shè)備，在產(chǎn)品質(zhì)量控制過(guò)程中發(fā)揮了重大作用。2011年，相關(guān)研究成果匯總而成的“波片相位延遲測(cè)量裝置的校準(zhǔn)方法”被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這是世界上第一個(gè)波片測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，有望統(tǒng)一國(guó)內(nèi)乃至世界的各種波片測(cè)量方法。相關(guān)項(xiàng)目“光學(xué)元件內(nèi)應(yīng)力、雙折射和光學(xué)波片相位延遲測(cè)量的新原理和儀器”獲2010年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

特別值得一提的是，他們還研制成功了國(guó)內(nèi)外第一臺(tái)以激光回饋（被測(cè)目標(biāo)把激光束反射回激光器內(nèi)）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(diǎn)就是能夠無(wú)接觸地測(cè)量微、輕、薄、黑、燒紅等目標(biāo)的移動(dòng)量，以及水、酒精等液面的位移和高度變化，是目前國(guó)際上唯一完全不需要在被測(cè)物上加附件配合的干涉儀。“比如監(jiān)測(cè)航天相機(jī)的支架和鏡面變形，就可以用我們的干涉儀，不需要在相機(jī)上加任何附件。加附件會(huì)引起相機(jī)形變?！蹦壳霸搩x器已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，已在美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、上海理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等處應(yīng)用，使用情況良好。

在這些之外，張書(shū)練的實(shí)驗(yàn)室還有很多世界首臺(tái)，同時(shí)，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(lái)不缺新的思想”。

堅(jiān)定信念，現(xiàn)下絕非終點(diǎn)

張書(shū)練常常對(duì)學(xué)生說(shuō)：“不要爭(zhēng)論，不要管別人說(shuō)什么，專(zhuān)心做自己的事。”

正是憑借這種信念，張書(shū)練才能夠在他的儀器原理常常不被理解的情況下，堅(jiān)持到今天。從現(xiàn)象到原理，到儀器，到應(yīng)用，張書(shū)練帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞一個(gè)點(diǎn)構(gòu)建了一個(gè)面，形成了一個(gè)相對(duì)完成的體系，呈現(xiàn)出了激光器正交偏振的全貌。

在張書(shū)練看來(lái)，對(duì)目標(biāo)的正確選擇和不懈堅(jiān)持，正是一個(gè)團(tuán)隊(duì)帶頭人最重要的品質(zhì)。“必須下定決心走自己的路，把一件事當(dāng)成自己的終身事業(yè)來(lái)做?？墒亲咦约郝返臅r(shí)候別人并不一定認(rèn)可。新的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，新的原理往往受懷疑。如何堅(jiān)持下去，就是一個(gè)帶頭人要經(jīng)受的困難和考驗(yàn)?！?/p>

張書(shū)練認(rèn)為，評(píng)價(jià)一個(gè)研究人員的價(jià)值，“不是說(shuō)了多少話(huà)，關(guān)鍵是你有沒(méi)有上書(shū)架，有沒(méi)有上貨架”。顯然，“上書(shū)架”的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而且是他自己的研究成果總結(jié)成書(shū)?，F(xiàn)階段，張書(shū)練正在爭(zhēng)取更多、更大規(guī)模地“上貨架”。

事實(shí)上，張書(shū)練團(tuán)隊(duì)的大名已經(jīng)在多年的研究過(guò)程中名揚(yáng)國(guó)內(nèi)外，大家都知道他這里有獨(dú)一無(wú)二的好東西。不少人找上門(mén)，請(qǐng)他幫忙測(cè)量。更有些時(shí)候，當(dāng)儀器還只能稱(chēng)為樣機(jī)的時(shí)候，就有人慕名上門(mén)尋求測(cè)量方面的幫助了。也有不少單位買(mǎi)了張書(shū)練研制的儀器，有美國(guó)、德國(guó)的大學(xué)和公司，也有韓國(guó)的公司。國(guó)內(nèi)某單位使用他的儀器測(cè)出了現(xiàn)有儀器都不能測(cè)出的光學(xué)加工產(chǎn)生的極微小的應(yīng)力，解決了大問(wèn)題?！靶屑易R(shí)貨，用戶(hù)買(mǎi)貨，不必在意局外的評(píng)說(shuō)?！?張書(shū)練說(shuō)。

盤(pán)點(diǎn)自己手里已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化條件的十幾類(lèi)儀器，張書(shū)練也在認(rèn)真實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的事宜。他希望國(guó)家的投入有所產(chǎn)出，希望自己和團(tuán)隊(duì)的成果能夠在國(guó)內(nèi)外推廣，產(chǎn)生越來(lái)越大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，能夠得到更大范圍的認(rèn)可和肯定。

他也曾感慨，“在激光理論和技術(shù)發(fā)展到如此高度的今天，居然留下如此一塊科學(xué)空地讓科學(xué)家去發(fā)掘?！倍约河行艺`打誤撞進(jìn)入了激光器的“內(nèi)部”，闖進(jìn)了這片天地，就一定會(huì)堅(jiān)持下去，努力讓這片空地綠蔭滿(mǎn)天。至于人們的質(zhì)疑，他并不爭(zhēng)論，他堅(jiān)信時(shí)間會(huì)給出最客觀的結(jié)論：“我們的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明都有文章，專(zhuān)利，也都系統(tǒng)寫(xiě)進(jìn)專(zhuān)著里去了，國(guó)內(nèi)外誰(shuí)都看得見(jiàn)?！?/p>

愛(ài)因斯坦說(shuō)；建立一種新理論不是毀掉一個(gè)舊倉(cāng)庫(kù)，在那里建立起一個(gè)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(fā)點(diǎn)與其周?chē)鷱V大地域之間的出乎意外的聯(lián)系。但是我們出發(fā)的地點(diǎn)還是在那里，還是可以看得見(jiàn)，不過(guò)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(gè)極小的部分而已。

顯然，張書(shū)練課題團(tuán)隊(duì)就是在攀爬一座高山，路途注定坎坷，頂峰不可預(yù)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(fā)點(diǎn)”確實(shí)已經(jīng)成為了“廣大視野中的一個(gè)極小的部分而已”。