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《中国测试》特邀编委:姜文汉院士——“苦”出来的“自适应光学”

1472    2019-02-20

作者:陈勇(中国科学院光电技术研究所)

来源:科学大院(ID:kexuedayuan)

已经80高龄的姜文汉却始终保持干事创业、开拓进取的“精气神”,为国家创新驱动发展战略和中科院“三个面向”、“四个率先”努力工作。

姜文汉院士说:“一辈子人生已经走完大半,在光电所完成了我国首台弹道相机和光刻机的研制,建立了世界首套激光核聚变用的自适应光学系统,在我国开辟并壮大了自适应光学研究领域,回首往事,没有因虚度年华而悔恨,也没有因碌碌无为而羞耻。”

回首近60年的科研经历,说起来也是一个不断适应国家需要几度转行的过程。

提到这个“过程”,姜院士说道:“我一生中有过三次重大转行,大学学习的是铸造工艺和设备专业,第一次转行为精密机械,第二次转行为光电工程,第三次转行为自适应光学。每次转行都是努力适应国家需要和社会发展的过程,每次转行都面临新的机遇和挑战,同时享受着开辟新领域带来的成就感和乐趣。”


三次转行,次次都是从头开始

1958年姜文汉院士从哈尔滨工业大学铸造工艺和设备专业毕业,分配到中科院长春机械研究所,从事压铸设备研究。承担的第一项工作就是到北京汽车厂与厂方合作设计1200吨大型压铸机。

1961年,正值我国尖端科研技术的奠基阶段,为集中力量,科学院长春机械研究所与长春光机所合并。姜院士负责研制陀螺仪中的宝石轴承。这是他的第一次改行,迈入了精密机械的领域。

这是一种非常小的精密轴承,精度达到1微米。原来接触的是将金属熔液转化为零件毛坯,精度达到1毫米就不错了,现在要研制出精度高于1微米的精密产品,他白天查阅资料,分析计算、画图试验,晚上则学习到深夜,仅仅一年时间就自学了概率论、精密计量、误差理论分析、电工学等多门课程。很快就掌握了研制宝石轴承的全过程,完成了研制任务。

1962年,长春光机所承担研制我国第一台大型电影经纬仪(160)的任务,这是一台口径达600毫米重达几吨的精密仪器,要研制成产品直接交付用户使用。全所上下都没有经验,当时姜院士也参加了设计任务,担任机械组负责人之一,具体负责方位转台的设计。这是他的第二次改行,从精密机械转到光电工程。

为此姜院士又自学了应用光学、精度理论等基础知识。一年多时间里除了完成设计任务之外,还验证了王大珩先生提出的大型经纬仪采用摩擦传动的设想并经采用获得成功,为大型精密跟踪设备的精密传动开辟了新路;提出了大型平面轴系的精度理论;提出了一种自为基准的三点法测量大型圆环平面度的新方法,解决了当时微米级止推轴承无法测量的难题,该方法在同类设备研制中沿用至今,而这次转行也让他见证了光电所的诞生。

1971年11月,由于三线建设的需要,姜文汉院士全家来到四川省大邑县的雾山沟里,建设新的研究所(即光电技术研究所)。经过几年脱离科技工作的生活之后,重新有了工作的机会,使他激动万分。

七十年代后期,为解决制造大规模集成电路的关键设备——光刻机,光电所计划研制国内第一台光刻机——接近/接触式光刻机,姜院士便是项目负责人。这一次他又要从头学起,从原来的弹道测量设备转为研制要求极高的生产设备,需要了解光刻工艺及对设备的要求,设计必须全部满足光刻工艺的要求。姜院士带领科技人员经过两年的设计和制造,中国第一台接近接触式光刻机诞生。


提到“诞生”,姜院士告诉我们,我国第一台固定式弹道测量设备也是在这个最年轻的研究所内诞生的。

他说道:“弹道相机是一种固定式、大视场的飞行弹道测量设备,在国内属于首次研制。这也是我第一次独立负责整机设备的研制。作为负责人必须把握总体性能,协调各分系统的接口关系,这又是一个新的挑战,只有好好学习才能胜任。我找到一本国外类似设备的详细研制报告,下决心和当时担任所技术负责人的林祥棣同志一起全文翻译出来。翻译工作主要在晚上进行,当时我家六口人住在20多平米的房子里,放了床之后没有地方可以放桌子,每天我蜷缩在一台折叠式缝纫机的台板上翻译。用了一个多月时间,翻译了20余万字的资料,通过学习,对如何分析光学设备的总体性能有了较深入的认识。进入设计阶段,我就把被褥搬到办公室,常常工作到深夜,困了收拾掉桌上的图纸,打开被褥就睡觉。经过和同事们两年多的辛勤努力,我国第一台固定式弹道测量设备就在这个最年轻的研究所内诞生了。这项成果获得了全国科学大会奖和中国科学院重大成果奖。”

科学院1977年制定的规划中自适应光学已经列入,但到1979年还没有人开展这方面的工作。这时光电所的光刻机已经基本研制完毕,姜文汉开始考虑是否可以开始这方面的研究。

但自适应光学是综合光、机、电、计算技术和材料等多学科的新技术,与原来的工作相比,综合性更强,难度更大,不仅国内没有人搞过,国际上也只有刚刚发表的几篇文章。而且,做这样基础性、前沿性的工作,很可能因为长期出不了成果而“坐冷板凳”,他有些犹豫。

而这时,爱人凌宁的坚定支持成为姜文汉院士第三次转行的动力。

凌宁对姜文汉说:“你知识面广,接受能力强,又肯下功夫,一定能够很快适应工作。这项工作尽管短期内出不来成果,但国家肯定是需要的,虽然有风险,但为国家开辟一个新学科是值得的”。在这样的鼓励和支持下,姜文汉院士联络了几位志同道合者,向所里提出开展自适应光学研究的建议,并得到所里支持,开始了他的第三次转行,从光学工程转行到自适应光学。


“苦”出来的“自适应光学”

1979年,自适应光学研究正式开题。说到自适应光学的开题,姜院士讲到:“当时的光电所开始了新址的建设——成都郊区双流县牧马山,计划逐步分批搬到新址。


当时的牧马山是一片荒地,曾是省军区的五七干校,只有一些用作养蚕、养鸡的平房。刚刚修建了三栋宿舍,道路是泥土路,一下雨就一片泥泞,只能穿高统雨靴。

几位自愿者自己动手,把原来养蚕的平房进行改造,贴墙纸,铺塑料地板,没有光学实验平台就找一块厚钢板,下面垫上沙子做减震,我国第一个自适应光学实验室就这样开张了。”

就在牧马山低矮陈旧的小平房里,姜院士和几位同志在1982年研制成功国内第一块13单元整体压电变形镜,1983年完成国内第一套自适应光学实验装置──七单元线列自适应光学校正系统模型,并取得闭环成功,逐步建立和掌握了自适应光学的基本技术基础。

恰在此时,上海光机所正在建造 “神光I”激光核聚变装置,姜文汉院士和该所负责此装置的邓锡铭、余文炎和范滇元同志讨论后,认为有可能用自适应光学校正这一庞大系统的波前误差,提高其关键指标——能量集中度,于是用10万元科研经费开始了研制工作.

1985年,成功研制19单元高频振动法激光波面校正系统,成功地用于我国首套激光核聚变装置——上海“神光I”中,校正这一庞大的激光系统中的静态波前误差,校正后激光能量提高三倍,接近衍射极限,开创了世界上在激光核聚变装置中成功使用自适应光学技术改善光束质量的先例。

1994年,美国洛仑斯·利弗莫尔实验室才报道了在其“国家点火装置”的原理样机中使用自适应光学技术情况,并说明是中国装置率先使用过的“中国方法”。

1990年,在国家“863”计划的支持下,姜文汉院士与其同志研制的21单元大气湍流校正自适应光学系统,国内首次在云南天文台1.2米望远镜上实现了对天文目标的自适应光学实时校正成像。这使我国成为继美国和欧洲之后第三个掌握此技术的国家。


培养后继人才,实现代际交接

面对未来发展,姜院士说到:“工作要发展,人才是关键。只有培养一批人才,才能后继有人,可持续发展。我认为,培养人才主要有两点:一是要有一个适合人才成长的气氛,作为带头人首先不能忌贤妒能,生怕别人超过自己,要形成平等讨论、百家争鸣的学术气氛;二是人才主要在工作中培养,通过压担子使年轻人及早承担更大的责任。”

进入21世纪,随着年轻科研队伍的成长,科研工作逐渐由年轻人挑起大梁。

国家对科研工作支持力度加大,在863计划的支持和团队同仁的共同努力下,自适应光学技术获得突飞猛进的发展。

2000年我国实现人眼高阶像差自适应光学校正,实现人眼视网膜细胞级高分辨率成像,在此基础上又相继研制成功自适应光学激光共焦扫描检眼仪和自适应光学人眼光学相干成像层析仪,实现视网膜的三维高分辨率成像。

在实现对天文目标高分辨力成像的基础上,又研制成功更大口径、更高分辨力的光电成像望远镜,还实现了基于钠导引星的高分辨成像。

加之研制多代激光核聚变装置的光束校正系统,实现基于大型变形反射镜的波前校正系统的批量生产,总体技术水平与美国国家点火装置(NIF)相当。


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