空間光學(xué)薄膜上的舞者
——記中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員劉定權(quán)

李曉文

偏愛“數(shù)理化”順利走進(jìn)光學(xué)薄膜世界

戰(zhàn)國(guó)秦地，曾有三國(guó)蜀建興七年諸葛亮筑城于此；歷時(shí)近30年，出使西域開辟了絲綢之路的張騫，生于斯長(zhǎng)于斯；經(jīng)歷千年風(fēng)雨滄桑，低壩攔河灌溉工程五門堰，至今潤(rùn)澤一方百姓。這里是北依秦嶺南麓，南屏巴山北坡，中納漢江平川的陜西漢中城固。1964年，劉定權(quán)出生于此。

從小的記憶里，劉定權(quán)抹不去的是穿城而過(guò)的漢水和學(xué)校里安靜而平淡的日子。他的父母是中學(xué)老師，他就跟著父母在學(xué)校里長(zhǎng)大。“我記得有一間小房子，前面是批改作業(yè)、辦公的地方，后面拉一個(gè)小簾子，放了一張床。簾子后面的世界，就是我的生活空間。我經(jīng)常會(huì)聽到父母和孩子們說(shuō)作業(yè)的事，什么地方做得好，什么地方做得不好，時(shí)間長(zhǎng)了居然記住了不少。課間的時(shí)候，我就在學(xué)校的院子里玩。”回憶起童年的生活，年過(guò)半百的劉定權(quán)滿臉的幸福，“那時(shí)候無(wú)憂無(wú)慮，覺(jué)得學(xué)校就是一切”。

打小聰明的劉定權(quán)對(duì)數(shù)理化很是感興趣。改革開放后，各地恢復(fù)了高考。劉定權(quán)自然也就走上了參加高考、讀大學(xué)的路。1982年，他順利進(jìn)入西安交通大學(xué)的電子工程系電真空專業(yè)學(xué)習(xí)。用劉定權(quán)的話說(shuō)，“學(xué)習(xí)無(wú)線電、電子等理工科的專業(yè)成為必然的選擇，是自己一直努力的方向，進(jìn)入電真空技術(shù)與器件專業(yè)為后來(lái)研究真空薄膜做了鋪墊”。那時(shí)候的高等教育參照蘇聯(lián)模式，西安交通大學(xué)的專業(yè)劃分也較為細(xì)致，學(xué)校和系里的許多老師是隨交通大學(xué)西遷到西安的，里面有很多著名的教授，都是這一領(lǐng)域的頂尖專家，在這樣的環(huán)境里學(xué)習(xí)他感到是“幸運(yùn)的”。

一入校，校長(zhǎng)的講話就鼓舞了年輕劉定權(quán)。這句話和“研究型大學(xué)”有關(guān)。劉定權(quán)說(shuō)：“當(dāng)時(shí)是第一次聽到‘研究型大學(xué)’這個(gè)詞匯，我的第一反應(yīng)是自己應(yīng)該在研究領(lǐng)域做一些工作。”因此，劉定權(quán)努力的方向一進(jìn)大學(xué)校門就暗下決心，希望成為一名科研工作者。大學(xué)畢業(yè)后，劉定權(quán)順利進(jìn)入中國(guó)空間技術(shù)研究院攻讀電子離子與真空物理專業(yè)，并于1989年畢業(yè)后進(jìn)入了中國(guó)航天部第五研究院五一〇研究所，從事真空薄膜科學(xué)與技術(shù)方面的研究工作。

“離開西安交通大學(xué)的時(shí)候，班主任老師跟我說(shuō)，‘科學(xué)研究是一條非常艱苦的路，你要有思想準(zhǔn)備’。”劉定權(quán)對(duì)當(dāng)時(shí)的畫面記憶猶新，“當(dāng)時(shí)，我沒(méi)覺(jué)得有什么。可是后來(lái)，隨著科研的深入，我對(duì)這句話的理解就越來(lái)越深刻——做科研的過(guò)程，就像在深水井中摸石頭，摸著一個(gè)，覺(jué)得好像問(wèn)題已經(jīng)解決了，再往下摸，還有一塊石頭，就這樣一塊一塊摸下去……”

在之后30年的科研生涯中，劉定權(quán)一直從事薄膜技術(shù)與光學(xué)薄膜方面的研究工作，先后主持完成了30多項(xiàng)國(guó)家空間工程任務(wù)中的光學(xué)薄膜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制任務(wù)，在紅外光學(xué)薄膜研究及其空間應(yīng)用等方面取得多項(xiàng)開拓性研究成果。

識(shí)別目標(biāo)貴在“認(rèn)清”光學(xué)薄膜技在“精準(zhǔn)”

2001年，劉定權(quán)和妻子回到年邁老人身邊，進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所工作。讓劉定權(quán)沒(méi)有想到的是，上海技術(shù)物理研究所專門開會(huì)研究他和妻子調(diào)動(dòng)工作的事，研究所打破常規(guī)，同時(shí)將夫妻倆作為引進(jìn)人才安排到研究所工作。上海市人事局還專門發(fā)了人才引進(jìn)的具體紅頭文件。“我拿著文件到上海市公安局虹口分局辦理落戶，只用了不到兩分鐘，花了6塊錢，就拿到了3個(gè)人的戶口，戶口本拿到手里，還是熱的。”這讓他深深感受到，一個(gè)快速發(fā)展的城市對(duì)科研人員的厚愛和研究所對(duì)人才的重視。現(xiàn)在，“3個(gè)戶口6塊錢”的故事還常常被劉定權(quán)記起。

來(lái)到上海之后，劉定權(quán)的研究領(lǐng)域也重點(diǎn)聚焦在光學(xué)薄膜上。

“唐僧師徒四人為取真經(jīng)，行至白虎嶺前。在白虎嶺內(nèi)，住著一個(gè)尸魔白骨精。為了吃唐僧肉，先后變幻為村姑、婦人、老父，全被孫悟空識(shí)破，并全部打死。但唐僧卻不辨人妖，責(zé)怪孫悟空恣意行兇，連傷母女兩命，違反戒律……”沉浸在薄膜世界的劉定權(quán)，總喜歡講述薄膜的故事。他說(shuō)，“為什么大家都知道孫悟空打的是妖怪，唯有唐僧被蒙在鼓里呢？原因是唐僧沒(méi)有光學(xué)薄膜濾光片，所以他只能看表象，看不到圖像的本質(zhì)。”這個(gè)光學(xué)薄膜的作用，就是幫助人們透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的。透過(guò)光學(xué)薄膜實(shí)現(xiàn)的精確光譜，可以看到物體特征甚至物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2016年8月16日凌晨，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉成功升天。中國(guó)由此成為世界上第一個(gè)在衛(wèi)星和地面之間實(shí)現(xiàn)量子通信的國(guó)家。“衛(wèi)星研制中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷。”中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉坦言。而劉定權(quán)所在的中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所正是量子衛(wèi)星載荷總體單位，4個(gè)有效載荷中的兩個(gè)——量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)，由他們研制。

“從衛(wèi)星到地面的單站密鑰分發(fā)，相當(dāng)于從安徽打一束光到北京，必須精準(zhǔn)到哪一扇窗。量子糾纏分發(fā)，是衛(wèi)星要向相隔1000多公里的兩個(gè)地面站發(fā)送糾纏光子對(duì)，這一精度要求是目前國(guó)際上最高的，相當(dāng)于在1萬(wàn)米高空的飛機(jī)上同時(shí)向兩個(gè)儲(chǔ)蓄罐扔旋轉(zhuǎn)的硬幣。”該衛(wèi)星研制的科學(xué)大師這樣闡述兩個(gè)難題。

在此項(xiàng)任務(wù)中，劉定權(quán)和他的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的項(xiàng)目自然與光學(xué)薄膜有關(guān)。“量子衛(wèi)星載荷的偏振精度要求控制在0.5%以內(nèi)，這樣才能確保信號(hào)編碼‘不走樣’。光子通過(guò)光學(xué)元件表面時(shí)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這就需要光學(xué)薄膜去保持和控制這些狀態(tài)，對(duì)幾十片不同功能的光學(xué)薄膜元件進(jìn)行分別和系統(tǒng)化的精確疊加設(shè)計(jì)，并在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)相位和光譜的精確調(diào)控。”當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)的壓力和責(zé)任都很大。

光子從產(chǎn)生到發(fā)射向地面，要經(jīng)過(guò)幾十個(gè)光學(xué)表面，每一個(gè)表面都可能使它的狀態(tài)發(fā)生改變。如何讓它順利穿過(guò)仍然狀態(tài)如初？“想讓光子保持相位不變，能量損失盡可能小，需要靠薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的功能并維持光子需要的狀態(tài)。這些薄膜在真空中一層一層鍍上去，多的時(shí)候達(dá)到上百層，每層的厚度需要精確到納米，誤差不能超過(guò)0.1%”。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)兩年多研究，僅樣片就用去了幾千個(gè)。最終，他們?cè)诩夹g(shù)和工藝上實(shí)現(xiàn)了突破，利用周期和非周期的微納光學(xué)薄層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可見光和近紅外區(qū)域的光子態(tài)控制與光譜路徑分配，單個(gè)元件的偏振對(duì)比度達(dá)到5000∶1以上，載荷的系統(tǒng)偏振對(duì)比度達(dá)到3‰，這些工作為量子通信領(lǐng)域的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)星地間量子通信試驗(yàn)提供了技術(shù)支撐。

在其他項(xiàng)目的研究工作中，劉定權(quán)研究團(tuán)隊(duì)在單個(gè)元件上實(shí)現(xiàn)了達(dá)到了400多層光學(xué)薄膜的精確生長(zhǎng)，每一層的誤差不超過(guò)1%，這是一個(gè)薄膜上的舞者的姿態(tài)、水平和態(tài)度。上海技術(shù)物理研究所的光學(xué)薄膜與材料研究室也成為我國(guó)空間光學(xué)薄膜領(lǐng)域的一個(gè)領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，我國(guó)空間光學(xué)遙感儀器的紅外濾光片，多來(lái)自這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。

裝備風(fēng)云系列衛(wèi)星只為天氣預(yù)報(bào)更貼心

2012年7月21日至22日8時(shí)左右，北京及其周邊地區(qū)遭遇61年來(lái)最強(qiáng)暴雨及洪澇災(zāi)害。從21日9時(shí)30分開始，北京氣象臺(tái)連發(fā)6次預(yù)警，暴雨從藍(lán)色升級(jí)為橙色，局地降雨量接近500年一遇。恰巧這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，劉定權(quán)坐晚上的飛機(jī)飛到北京，抵達(dá)首都機(jī)場(chǎng)時(shí)已經(jīng)接近零點(diǎn)。當(dāng)他走出航站樓，傻眼了，“整個(gè)機(jī)場(chǎng)，一輛大巴都沒(méi)有，出租車也沒(méi)有，就連私家車都看不到，整個(gè)廣場(chǎng)都是人。一直等到凌晨一點(diǎn)多，才陸續(xù)有大巴過(guò)來(lái)接大家到三元橋”。這時(shí)，劉定權(quán)才得知北京暴雨使得立交橋、隧道積滿了水，影響了交通。到了三元橋，劉定權(quán)發(fā)現(xiàn)“附近的旅店已經(jīng)爆滿”。后來(lái)，劉定權(quán)只能在齊腿深的水里行走，差不多半個(gè)小時(shí)才找到一輛可以拼人的車，把他載到中關(guān)村住下來(lái)，此時(shí)天已經(jīng)快亮了。“其實(shí)，這一系列事件的深層原因，與天氣預(yù)報(bào)不夠及時(shí)和精確有關(guān)。”當(dāng)時(shí)的劉定權(quán)，心里有說(shuō)不出的滋味，“光學(xué)薄膜在氣象衛(wèi)星中應(yīng)該發(fā)揮出更好的硬件作用”。

登山途中

之所以把天氣預(yù)報(bào)與光學(xué)薄膜材料聯(lián)系起來(lái)，是因?yàn)殛P(guān)系到天氣預(yù)報(bào)是否精準(zhǔn)的數(shù)值預(yù)報(bào)與風(fēng)云系列的氣象衛(wèi)星的光譜數(shù)據(jù)有關(guān)。以“風(fēng)云三號(hào)”氣象衛(wèi)星為例，劉定權(quán)帶領(lǐng)他的科研團(tuán)隊(duì)，采用高級(jí)次原位光學(xué)監(jiān)控和溫度補(bǔ)償技術(shù)，成功研制出了可應(yīng)用于空間環(huán)境的紅外低溫超窄帶系列濾光片，應(yīng)用于“風(fēng)云三號(hào)”氣象衛(wèi)星紅外分光計(jì)、中分辨率成像光譜儀等儀器中，實(shí)現(xiàn)了氣象衛(wèi)星對(duì)地面和大氣層的精確光譜觀測(cè)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣層的立體探測(cè)，后來(lái)的“風(fēng)云四號(hào)”氣象衛(wèi)星干涉式成像光譜儀使得立體觀測(cè)更加精確與完善。為了實(shí)現(xiàn)精確的光譜，濾光片在研制過(guò)程中通過(guò)規(guī)整與非規(guī)整膜系的交替使用和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了帶通濾光片光譜的近似矩形化，紅外濾光片在低溫下光譜保形良好，為新一代氣象衛(wèi)星獲取更加精確的光譜能量數(shù)據(jù)，提供數(shù)值化氣象服務(wù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

劉定權(quán)告訴記者，從“‘風(fēng)云二號(hào)’氣象衛(wèi)星開始，光學(xué)儀器大多都由上海技術(shù)物理所研制。‘風(fēng)云二號(hào)’作為高（靜止）軌道衛(wèi)星，共有9顆，從01星到08星，都定位在我國(guó)對(duì)應(yīng)的赤道上空，為我國(guó)和周邊國(guó)家提供氣象服務(wù)。為了給‘一帶一路’沿線國(guó)家提供精準(zhǔn)的氣象服務(wù)，現(xiàn)在09星放在了中東地區(qū)對(duì)應(yīng)的赤道上空”。

經(jīng)過(guò)10余年的努力，由光學(xué)薄膜與材料研究室研制的數(shù)值量化的光學(xué)濾波器，為國(guó)家高水平的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)提供了專業(yè)的技術(shù)支持，我國(guó)也實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際先進(jìn)氣象數(shù)據(jù)的接軌。劉定權(quán)說(shuō)：“現(xiàn)在，我們國(guó)家拿出去的氣象數(shù)據(jù)，已經(jīng)能夠在國(guó)際氣象會(huì)議上與發(fā)達(dá)國(guó)家的氣象數(shù)據(jù)完全對(duì)上了，有時(shí)候我國(guó)的數(shù)據(jù)比他們的還要好一些。”

截至目前，除了為風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星提供精密光學(xué)薄膜元器件外，光學(xué)薄膜與材料研究室還為海洋遙感衛(wèi)星和其他一些空間光學(xué)遙感載荷研制了系列的精密光學(xué)薄膜元器件，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

追求極致科研讓系統(tǒng)無(wú)懈可擊

2002年3月25日22時(shí)15分，“長(zhǎng)征二號(hào)”F捆綁式火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心將“神舟三號(hào)”飛船成功送入預(yù)定軌道，在軌飛行6天零18小時(shí)。而在“神舟三號(hào)”上使用的圖譜合一遙感儀，就有光學(xué)薄膜與材料研究室研制的長(zhǎng)波帶通微型低溫濾光片，助力我國(guó)首臺(tái)85K低溫紅外探測(cè)儀成功獲得了與同期NOAA衛(wèi)星相當(dāng)?shù)牡厍蜉椛浼t外掃描圖像。

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋的開發(fā)和可持續(xù)利用是解決當(dāng)今全球資源短缺、人口膨脹、環(huán)境惡化的重要出路之一。作為海洋探測(cè)的高科技手段，世界各國(guó)都非常重視衛(wèi)星海洋遙感應(yīng)用。而海洋衛(wèi)星用于大尺度的海洋觀測(cè)，攜帶的水色儀是重要的觀測(cè)儀器。劉定權(quán)和他的團(tuán)隊(duì)在海洋1-B和1-C衛(wèi)星水色儀的研制過(guò)程中，承擔(dān)了精密光學(xué)薄膜的系統(tǒng)研制任務(wù)。這些精密又復(fù)雜的光學(xué)薄膜在實(shí)現(xiàn)光學(xué)能量高效傳輸和光譜精確控制的同時(shí)，將系統(tǒng)的偏振靈敏度控制在2%以內(nèi)，為海洋遙感數(shù)據(jù)的有效獲取提供了技術(shù)保障。

在老一輩科學(xué)家奠定的基礎(chǔ)上，這個(gè)研究團(tuán)體在紅外甚長(zhǎng)波超窄帶薄膜的設(shè)計(jì)與制造、紅外低溫?cái)?shù)值化薄膜元件、特種紅外光學(xué)薄膜材料研究等方面成績(jī)突出，紅外光學(xué)薄膜領(lǐng)域達(dá)到和保持了國(guó)際先進(jìn)水平。

目前，這個(gè)研究團(tuán)體已經(jīng)在光學(xué)薄膜與技術(shù)、固體光學(xué)性質(zhì)、半導(dǎo)體材料晶體生長(zhǎng)及組合材料學(xué)、紅外光學(xué)薄膜的能量與光譜調(diào)控技術(shù)研究、光學(xué)薄膜技術(shù)及其工程化應(yīng)用、光學(xué)薄膜器件制備及測(cè)試技術(shù)研究等領(lǐng)域，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在SCI、EI、ISTP的等發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇，先后獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)。

從1964年成立至今，光學(xué)薄膜與材料的研究在這個(gè)研究室已走過(guò)65年歷程。近年來(lái)，這支知識(shí)、年齡層次結(jié)構(gòu)合理的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在劉定權(quán)研究員的帶領(lǐng)下，承擔(dān)和參與了國(guó)家重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目等，先后獲得了國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院杰出成就獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

交叉科學(xué)領(lǐng)域光學(xué)薄膜未來(lái)更可期

在太陽(yáng)能的熱利用中，輻射能轉(zhuǎn)換為熱能是一個(gè)關(guān)鍵。光伏發(fā)電受轉(zhuǎn)換效率的限制，再加上電壓波動(dòng)，效果總是不夠理想。如果運(yùn)用光學(xué)薄膜，可以把95%以上的太陽(yáng)能收集起來(lái)將其轉(zhuǎn)化為熱能，熱能可以直接利用，也可以結(jié)合工質(zhì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)器將熱能轉(zhuǎn)化為電能。這樣可以提升太陽(yáng)能的綜合利用效率和穩(wěn)定性。

與學(xué)生合影

熱控被分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式，是利用各種制冷和加熱設(shè)備對(duì)建筑物、汽車，甚至航天器的熱場(chǎng)進(jìn)行控制；被動(dòng)式，則是利用熱控功能薄膜等對(duì)不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行反射、透射與輻射特性進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。在被動(dòng)式中，可以利用太陽(yáng)光譜與物體紅外輻射波長(zhǎng)位置之間的差別，設(shè)計(jì)熱控制功能薄膜，實(shí)現(xiàn)低能耗的溫度控制，在節(jié)能、交通工具和空間活動(dòng)中都有重要意義。

激光信號(hào)具有良好的單色性，空間激光通信是未來(lái)通信發(fā)展的方向之一。通常情況下，激光信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后，容易受到背景光和大氣擾動(dòng)的影響，為了減少這些影響需要用到通帶寬度只有幾十皮米（1皮米=10-12米）的濾光片，這在技術(shù)、材料、設(shè)計(jì)和測(cè)量等方面都存在挑戰(zhàn)。

目前，這些科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題是科學(xué)家們正在關(guān)心的話題，也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究方向之一。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)光學(xué)薄膜產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命、高可靠及性能要求越來(lái)越高。為改善紅外光學(xué)膜層結(jié)構(gòu)，提高性能，他們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力和研究，使得工藝簡(jiǎn)單、廣泛用于紅外光學(xué)薄膜制備的熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展。例如，通過(guò)對(duì)真空中蒸發(fā)氣流的導(dǎo)向控制，在大尺寸光學(xué)窗口的邊緣和側(cè)面實(shí)現(xiàn)了金屬封焊膜層的沉積，保證了光學(xué)增透膜的潔凈與牢固，為大尺寸光學(xué)窗口的封焊創(chuàng)造了條件。同時(shí)，在紅外焦平面技術(shù)、“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星掃描輻射計(jì)、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座紅外相機(jī)等項(xiàng)目中，均取得了可喜的成績(jī)。

薄膜光學(xué)與技術(shù)作為一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及光電技術(shù)、真空技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域。作為重要的光學(xué)功能元件，光學(xué)薄膜廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)、光電子學(xué)、光學(xué)工程、航空航天以及其他相關(guān)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，其重要性越來(lái)越突出。劉定權(quán)，這位已經(jīng)在空間光學(xué)薄膜舞臺(tái)上舞蹈了30年的極致舞者，正在和團(tuán)隊(duì)成員一起，向著更加深遠(yuǎn)的科學(xué)空間延伸……