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高端访谈

浙江大学刘旭教授:传承光学事业,积蓄光学“后浪”

激光制造网 来源:光电汇2021-02-25 我要评论(0 )   

你可能知道小孔成像来自墨子,你或许也知道王大珩、龚祖同这些光学大家的过往故事,你或许还听说过“王大珩班”,但是当这些片段串联起来的时候,你可能对我国整个光学...

你可能知道小孔成像来自墨子,你或许也知道王大珩、龚祖同这些光学大家的过往故事,你或许还听说过“王大珩班”,但是当这些片段串联起来的时候,你可能对我国整个光学体系的发展又有了全新的认识。

借滨松中国十周年活动之际,我有幸跟随并采访了中国光学学会秘书长、浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授。他对世界及中国光学发展脉络的侃侃而谈;对教育创新模式的积极推动;对光学学科未来前景的一片看好和对青年学子的殷殷期盼……无不把我们带到了更高的层面去环视现在的光学事业。“听君一席话,胜读十年书”大概就是这个样子。

这篇文章,我们将一起梳理我国光学体系发展之脉络,了解背后的故事,并以此向即将和正在从事光学事业的同仁,分享一些对未来光学发展的看法。

中国光学学会秘书长、浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授


我国光学体系的追本溯源

刘旭教授的本科和硕士学位都是在浙江大学光仪系完成的,而后便去了法国继续攻读信息工程博士学位,毕业后继续回到浙江大学,博士后出站一直工作至今。

他从事过光学薄膜的研究,后又承担液晶显示方向的国家项目,研制出了我国自己的高亮度高分辨大屏幕显示设备,2000年后他大力发展真三维显示技术,建立了国际首台全彩色大尺度光场真三维显示系统。近年来他关注超分辨显微成像,提出移频超分辨成像机制,解决了非荧光标记样品的超分辨显微成像难题。

30多年的光学领域学习经历和研究经验,让他对整个光学体系发展脉络了如指掌。他将我国光学体系的发展归纳为三个阶段。

第一阶段:古代光学从2400多年前的墨子开始


1015年,伊拉克物理学家海什木(Ibn Al-Haytham,西方人也称他为Alhazen)发表了光学的开山之作《光学》(Book of Optics),系统地描述了当时人们对“光”和“像”的认识,许多人将它叫做“光学之父”,甚至联合国教科文组织也将此作为设立 “国际光年”(2015年)的依据之一。

但事实上,早在2400多年前,古代墨子就发现了小孔成像原理,并对自然界的光学现象进行了充分的观察和实验,总结出的许多光学成像和光线传播理论。不过遗憾的是,我们古人并不崇尚科技,许多优秀的光学学说并未被完整的传承下来。而欧洲彼时的情况也与我们类似。19世纪,欧洲社会对科技不够重视,致使许多著名科学家的多部著作很快在欧洲失传。

因此,在第一阶段的古代文明发展中,全球各地对光学的认识大多只是停留在少数的个人观察和兴趣之中。

第二阶段:明末之后,我国物理学雏形开始显现


北宋的沈括在《梦溪笔谈》中重新实验了光的直线传播和小孔成像,并做了水的传光实验(这是光波导的起源)。但是我国光学真正发展起来则是在明末时期。

随着西方传教士的进入,望远镜、眼镜等物件也随之而来,在上海、苏州等地流通甚广。苏州更是建立了国内最早的眼镜制造厂,主要制备显微镜、望远镜、眼镜等简单的光学器具。

在日本明治维新的影响下,“戊戌变法”轰轰烈烈地展开,彼时清朝政府派出大量留学生,带回了西方国家关于“科学”的思想,我国的物理学思想雏形也开始显现。同时,清末国内开始创办大学,留洋学生担任讲师。至此,我国的光学作为物理学中的一个分支,开始在教育体系中建立起来。

第三阶段:伴随国家项目的建设,开始布局光学体系


“二次大战后,各国开始积极恢复本国经济和生产。当时(新中国成立后),国外对我国进行技术和经济封锁。于是,1952年开始了我国的第一个五年计划(简称‘一五’计划)。” 刘旭介绍道。

“一五”计划中,中国要建立十大工程,包括人民英雄纪念碑、人民大会堂等。而工程建设中急需量测技术。当时国务院委托李四光担任地质学家,研制量测所需的经纬仪。李四光找到了王大珩,选址长春,筹建长春仪器馆(现长春光机所),同时委托浙江大学物理系系主任何增禄在浙江大学建立国内首个光学仪器专业。


浙大各类早期的光学学科书籍


“实际上,建国以后我国的光学事业可分为两支:一支是留学英国的王大珩,一支是留学德国的龚祖同。龚祖同布局建设了全国光仪厂,上海光仪厂便是全国成立最早的光仪厂。而后他被调到长春仪器馆(长春光机所的前身),主做光学玻璃。”刘旭补充道。

1952年,王大珩先生和龚祖同先生在长春成立了长春仪器馆,浙江大学成立光学仪器专业,研究民用光学路线。次年,北京工业学院(现北京理工大学)也成立了光学仪器专业,研究军工光学路线。1958年王大珩创办长春光学精密机械学院(现长春理工大学)。国内光学教育体系开始逐渐完善起来。

同时,科研系统跟随我国重大科技项目的建设,也在紧锣密鼓的筹备中。1961年,由王之江领导设计,邓锡铭、汤星里、杜继禄等人共同研制成功的中国第一台激光器在长春光机所诞生。龚祖同因“两弹”研发需要,于1962年组建成立了西安光机所,专门研制拍摄“两弹”爆炸的高速摄影机。王之江则被派往上海,专门从事激光研究,并于1964年成立了上海光机所。导弹研制成功后需要光电经纬仪进行卫星跟踪,于是便在1970年国家又成立了中国科学院光电技术研究所(简称成都光电所)。

就这样,我国的光学教育和科研机构跟随着国家建设的需要,由老一辈光学人历经20年左右的时间,一步步布局和完善,各有所长,各司其职。

浙大光电学科的发展及创新:产研结合,植根民用

“浙大光电学科的发展与全国光电教育发展基本同步。”从20世纪60年代,浙大开始承担国家重大任务,拍摄氢弹爆炸的高速摄影机,到20世纪80年代从事航天工程关键拍摄载荷的研发,同时开始加大民营光学产业的推进力度。


浙江大学光电科学与工程学院曾为“嫦娥”系列等多项国家项目研制仪器


其实,从建立之初,浙江大学物理系系主任何增禄就将浙大光学仪器专业定位于民用领域,经过半个多世纪的传承和发展,浙大光仪系几经更名和调整,这一思想却从未改变,并深深影响着几代光仪人,以开阔发展的眼光,积极建立了许多社会以及国际合作。其中日本滨松就是合作渊源比较深远的企业之一。

1992年,经时任中国光学学会理事长母国光介绍,日本滨松光子学株式会社前任会长昼马辉夫与浙大光仪系陆祖康(刘旭的导师)建立了联系。通过三年交流和磨合,最终于1995年正式建立合作,成立“浙江大学滨松国际光子学实验室”(ZJU-Hamamatsu),致力于生物医学光学成像的研究,包括超短时间领域生物光学现象研究、PET高分辨探测技术、图像重建(PET、DOT)等。此外还开展了诸多学术和人才交流活动。


浙江大学滨松国际光子学实验室


1998年,刘旭开始主导院系工作后,与滨松的沟通逐渐增多。他表示之所以浙大可以与滨松保持30多年的良好合作关系,是因为双方都有着“长期发展”这一共同理念。而且他认为,昼马辉夫并不是那种盈利至上的商人,很有国际主义精神。在扩大企业经营的同时,他更希望能够为社会、为光学产业做点贡献。这种真诚在几十年的交往中,是能体会到的。

刘旭介绍道,与滨松的合作,一定程度上也助力了浙大光仪系科研水平的提升。不仅有捐赠大量光学器件和设备的硬件支持;从人才培养方面,每年浙大会选送博士生至日本滨松中央研究院研修,为学生提供了更广的视野和宝贵经验。这些交流生后来大多也投身于中国光学行业的建设,担任重要角色。例如现任ZJU-Hamamatsu实验室主任的刘华锋教授,入选了国家杰出青年,也是与滨松接洽的第三代浙大光仪人。

“随着在民用领域的推进,目前浙大已经做到了几个国内第一。”刘旭自豪地说。“第一是,目前手机里所有的光学模组的产量占到国际市场的40%。这就是浙大与舜宇合作的成果,如今我们双方又成立了研究中心,用以研究新型手机的光学设计;第二个是现代办公投影仪中的光学元件,有‘浙大技术基因’完成的光学元件,占全球市场的80%;第三个是全球监控相机市场中,有‘浙大技术基因’完成的光学元件,占全球市场的70%。”

“你只有跟民用紧密贴合,你才是真正地活着,解决了产业化的问题,你就能活在社会当中。” 这正是浙大光电科学与工程学院的发展思路。

打造中国的MSCA,共建东亚人才培养教育圈

近10年,我国国民经济高速发展,人均GDP急速上升。国家的发展不仅体现在经济上,也体现在了教育上。

教育部直属院校的高等学校数量,从文化大革命结束时候的几十所,一跃发展到现在2800多所,与成为全球高校数量最多的美国并驾齐驱。而在2800多所高校中,我国拥有光电系或者光电学院的高校约230所,加上研究生,每年光电专业毕业生近四万人。相比之下,美国只有3所高校拥有独立的光电学院,每年以光电专业毕业的美国本科生不超过百人。“我国研究生和本科生人数超过了整个欧洲的总和。我们几乎以一己之力为全球培养了大量的光电后备力量,总量占全球一多半。”

“我刚进入浙大光仪系学习的时候,条件非常艰苦,实验设备匮乏,最开始的实验就是磨玻璃。随着国家经济的快速发展,硬件教学条件有了极大的改善,已经不再是制约人才培养的主要因素了。而国内高校之间的合作和交流甚少,有些甚至垄断优质生源,成为了人才培养的新问题,这不利于我国光学综合人才的培养,”刘旭指出,“我国科技水平的发展,最终还是落实到人,必须要打破各高校之间的壁垒,培养高素质高水平人才,为我国光学事业积累坚实的后备力量。”

在欧洲,一项名为“玛丽·居里国际智力引进行动计划” (MSCA)享有极高声誉。它是欧盟针对成员国之外的优秀人才实施的专项资助计划,旨在通过先进的跨学科、跨领域、跨部门和跨国家的学术训练,增强科研人员创新能力和创造潜力,支持科研人员学习和转移新的知识和技能。

了解到这项计划后,刘旭也希望能够在中国开展类似的人才培养模式,实现各高校和科研机构的教学互通。但是他也坦言,MSCA计划是在欧盟框架协议下执行的,实际操作和执行会比较便利。而我国尚没有一个指导性协议,也没有先例,推动困难巨大。“但是这个事得有人去做。”

当刘旭担任教育部高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会主任委员、电子信息类专业教学指导委员会副主任委员时,光电教指分委便召集中国科学技术大学、北京理工大学、电子科大、华中科技大学、浙江大学、天津大学和长春理工大学等六所高校负责人及五大光机所负责人,共同探讨中国的人才培养模式,推进落实。

“从6所主要的光学教育学校中抽出两届共48名学生组成‘王大珩班’。每个学期在合作的高校中学习,选修这些学校中最好的专业,最好的老师的课,连续完成4年的大学生活。学习结束后再去各光机所实习。这种资源整合的教学计划,既可以打破各学校之间的壁垒,为相关领域输送优秀的后备人才,又可以让学生获得最好的教育资源,提升自身本领。”

目前第一批轮值学生已经进入大三阶段的学习。下一步,刘旭计划将“王大珩班”的本科生送到日本滨松学习交流,开展国际间的交流,将这种模式扩展成为文化较为相近的东亚教育圈的人才培养。


第一批“王大珩班”同学于浙大合影(图中为浙大光电科学与工程学院院长刘向东(第二排左五))



光学学科会长久地存续下去

“光学与其他的工科不一样,它涉及很强的基础物理学问题,也涉及太多人类未来的东西,从这一方面来说,光学的任何一个大的突破,都可能会对人类的发展和变革产生巨大的影响。所以光学这个学科会长久的存续下去。” 刘旭说道。

诚然,21世纪是光的世纪。智能机器人、手机中的光芯片、传统制造业中的激光加工、智能医疗诊断、现在的5G,未来的6G等等,都有光技术的身影,并作为主导的传播媒介。尤其是在疫情肆虐的环境下,数字网络无疑成为了工作和生活主要工具,即使不出家门,也可无国界交流,即时获得国内外的海量数据,而这其中光通信技术更是无可替代。还有可折叠时空的量子信息技术,正在开启新的机遇之门,成为全球信息化战争的新战场。


光子技术的无处不在。图源:浙江大学出版社出版的昼马辉夫著作《21世纪的光子学》

“这些以光为主要传输媒介的技术发展到最后,带来的变革很可能是具有颠覆性的,会让我们人类重新审视、认知自己,认知这个世界。这倒让我想起老昼马(昼马辉夫)的那句话:光是物质的胶水,把光发展起来了,你才能真正的认识物质的本质。”

结语

“我们的学生正处在一个很好的时代,经济快速发展,物质条件富足。作为学生,要打破范式禁锢,拥有独立的人格和独立的思想。因为当你成为这个世界上‘唯一’的时候,你才能独立的思考社会应该发展的方向和他应该拥有的社会形态,站在更高的角度,明辨是非,不为各种舆论、利益所诱惑,而真正为着你的人生价值去奋斗。”

采访最后,刘旭对学子们提出了这样的期盼。正如他在浙大教师个人主页中介绍自己的那样“一名教师,一名希望与年轻人共创明天的老师。”他的所学、所做、所想,最终都是为了更好地培育光学人才,积蓄光学“后浪”。

延伸阅读:一脉相承的世界光学发展轨迹

在采访中,刘旭教授还分享了世界光学发展的轨迹,颇为有趣,笔者将此处作为延伸阅读分享给大家。

1590年,荷兰人研制出了世界上第一台复式显微镜;1609年意大利的伽利略发明了第一台天文望远镜;1678年,英国的胡克发现了胡克定律;1687年牛顿定律问世……但是这些成就很快便在当地没落了,真正传承下来的只有德国。

做光学镜片的卡尔・蔡司、完成了大部分光学成像设计理论的恩斯特·卡尔·阿贝和做玻璃的奥托·肖特组成了绝配,在德国耶拿(Jena)成立了蔡司公司。德国的精密光学便从这开始迅速发展起来,他们也成为了现代系列光学的鼻祖。

二次大战后,德国被分为东德和西德,耶拿划归为东德。美国在东西德快分开之前,从耶拿转移了一批科学家,至此,美国光学工程开始发展;苏联占领了东德,将东德的光学技术转移到了苏联的列宁格勒(现在的圣彼得堡),成立了光学研究院,苏联的光学工程也开始发展;尼柯尔(尼康的前身)聘请几名德国光学技师,成立了日本第一家光学企业,开始生产镜头。

而我们其实也算是一脉相承。“戊戌变法”之后,清政府派出的留学生正是留学德国,带回了德国光学思想,撰写著作、开办兵工厂、组建教学课堂,形成了现代中国光学体系的雏形。

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