光的思考者——記北京師范大學(xué)物理系教授劉大禾

本刊記者 黃雪霜 杜玲娟

巴爾扎克說：“一個(gè)能思想的人，才真是一個(gè)力量無邊的人”；

笛卡爾說：“我思，故我在”；

韓愈說：“業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨”；

……

古今中外，思考一直是人類文明進(jìn)程中的一道智慧之光，誰善于運(yùn)用它，誰就擁有打開科學(xué)世界大門的鑰匙。在神奇的光學(xué)探尋世界里，有這樣一位以善于思考著稱的科學(xué)家，他能將“每一點(diǎn)‘靈感’都化為‘理想’”，他能“求新立異，點(diǎn)亮‘光學(xué)’世界”，他科研生涯中所創(chuàng)下的一個(gè)又一個(gè)突破性成果，為學(xué)界和各個(gè)媒體所肯定和贊揚(yáng)。他就是北京師范大學(xué)物理系劉大禾教授。

我思，我在；我在，我思——盡顯布里淵散射神奇魅力

布里淵散射？這一在許多普通人看來抽象難懂的名詞，在劉大禾教授看來如日常飲食，再熟悉不過。它是劉大禾教授最具代表性科研領(lǐng)域。

在加拿大

布里淵散射是布里淵于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學(xué)振動(dòng)?！拔易龅氖撬械牟祭餃Y散射。即使是一杯水，某一個(gè)點(diǎn)的折射率也會(huì)隨著溫度和壓力的變化而變化。這種漲落會(huì)向四周傳播，形成聲波。這個(gè)波有一個(gè)個(gè)波振面，就相當(dāng)于一面面運(yùn)動(dòng)的‘鏡子’。如果一束光射到水里的這些‘鏡子’上，就會(huì)由于鏡子移動(dòng)而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，從而使反射光的頻率發(fā)生變化，也就是說你看到的散射光和實(shí)際入射的光之間是有頻移的，這就是布里淵散射?！庇猛ㄋ滓锥恼Z言，劉大禾解釋了他的主要研究對(duì)象。

別看解釋得通透熟絡(luò)，但誰又能想到，與布里淵散射“結(jié)緣”，劉大禾有一段從“門外漢”到“檻內(nèi)人”的傳奇經(jīng)歷。最初，劉大禾學(xué)習(xí)和研究的主要方向集中在光學(xué)全息和信息光學(xué)方面。1990年，他前往美國學(xué)習(xí)、工作，這才開始接觸了激光雷達(dá)領(lǐng)域的相關(guān)研究。1992年，他又以交換學(xué)者的身份，被公派至加拿大Laval大學(xué)光學(xué)中心從事光學(xué)信息處理方面的研究工作。在那里，劉大禾產(chǎn)生了改變研究方向的想法。1994年，受到美國Texas A&M大學(xué)的邀請(qǐng)，才開始了他在布理淵散射領(lǐng)域正式地科學(xué)研究。

起初劉大禾參與布里淵散射課題，只是看到別人遇到難題挺身幫忙。沒想到，這個(gè)幫忙的人卻做出了他人沒做出的結(jié)果，令導(dǎo)師頗為滿意。機(jī)遇就這樣在一次偶然中瞬間開啟，布里淵散射研究大門由此向他敞開，而大門里奇異豐富的內(nèi)容不由自主地刺激他思考的神經(jīng)，吸引他不停斷地向前去探索。

在項(xiàng)目研制過程中，劉大禾發(fā)現(xiàn)有某個(gè)元件需要高額的資金投入。美國需要10萬美元，俄羅斯需要5萬美元。能不能通過降低成本來提高技術(shù)的實(shí)用性能呢？劉大禾思考著，為此，1996年初，他專門回國內(nèi)攻關(guān)，最終僅用5萬元人民幣就完成了這個(gè)元件。這次大獲成功為他今后繼續(xù)堅(jiān)定從事布里淵散射研究奠定了基礎(chǔ)。

回國期間，劉大禾得知海洋科學(xué)被列為國家“863”計(jì)劃中一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域?！安祭餃Y散射的光譜特性與多個(gè)海洋參數(shù)有著直接的聯(lián)系。能不能將布里淵散射用于海洋監(jiān)測，從而發(fā)展一種新型的激光雷達(dá)呢？”劉大禾思考的神經(jīng)被再次激發(fā)起來，一連串的思考促使他最終行動(dòng)：特意回國找到中國科學(xué)院和國家海洋局有關(guān)單位，向相關(guān)專家介紹了自己在海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測方面的工作，并得到了他們的支持。經(jīng)過嚴(yán)格的審批和多次答辯，1998年，劉大禾申請(qǐng)的課題“海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測的激光布里淵散射方法”獲得國家“863”計(jì)劃批準(zhǔn)立項(xiàng)。

通過這一“863”項(xiàng)目，劉大禾翻越了一座又一座高山，使布里淵散射在海洋里大放光彩：在國內(nèi)外首次將受激布里淵散射應(yīng)用于激光雷達(dá)，一改過去海洋監(jiān)測使用浮標(biāo)監(jiān)測存在的測試結(jié)果不實(shí)時(shí)、回收困難易丟失數(shù)據(jù)、造價(jià)成本高等缺點(diǎn)；在國際上首次提出了實(shí)時(shí)探測水下隱身目標(biāo)的新概念和方法，這是原理上的創(chuàng)新。且具有非常好的反隱身性能，目前的隱身技術(shù)該項(xiàng)探測方法均無任何隱身作用；提出了用布里淵散射實(shí)時(shí)監(jiān)測水的體粘滯系數(shù)的方法；這是國際上首次用光學(xué)方法直接精確測量水的體粘滯系數(shù)的報(bào)道；并提出了利用受激布里淵散射實(shí)時(shí)監(jiān)測海水渾濁度的方法；提出了測量強(qiáng)激光在水中衰減系數(shù)的新方法，進(jìn)而研究了強(qiáng)激光在水中的衰減規(guī)律，為提高激光雷達(dá)的性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了在海洋之外，布里淵散射的神奇魅力還能應(yīng)用到什么地方去呢？獲得成功的劉大禾并沒有停下前景的腳步，相反，他的思考向更廣闊的范圍擴(kuò)散：在研究過程中，他發(fā)現(xiàn)布里淵散射方法可以應(yīng)用到血液流變學(xué)和血液動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域！運(yùn)用這一研究成果，可以進(jìn)行血液參數(shù)的體內(nèi)實(shí)時(shí)測量，以期能夠?qū)δ承┮呻y病癥進(jìn)行早期診斷，并對(duì)一些疑難病癥的成因給出解釋。

“我思，故我在”，科學(xué)家笛卡爾一句名言盡顯了思考的重要性，而對(duì)劉大禾來說，思考是他“存在”的價(jià)值體現(xiàn)，而他也在思考的過程中尋找到了快樂和成就感。為此，他將繼續(xù)將“思考”快樂地、不停斷地進(jìn)行下去，“我在，故我思”。

不棄，不舍；不倦，不怠——又獲“光子晶體學(xué)”創(chuàng)新突破

孔子說：“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆?！闭f明了實(shí)踐、思考、知識(shí)三者的之間的關(guān)系。深諳此意的劉大禾因此從來沒有停止過學(xué)習(xí)和思考。正因?yàn)樗麑?duì)所學(xué)所研的堅(jiān)持，布里淵散射研究之外，他收獲了又一份驕傲，即在“光子晶體學(xué)”領(lǐng)域所獲得的突破。

光學(xué)全息是劉大禾最初的研究方向。1997年，在美國做布里淵散射研究時(shí)，在閱讀材料的過程中，劉大禾發(fā)現(xiàn)有人提出用光學(xué)全息的方法來研究光子晶體。光子晶體又稱光子禁帶材料，是一種在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人造材料，在國際科研領(lǐng)域普受重視，多次被列為國際十大前沿研究之一。這一發(fā)現(xiàn)引起了劉大禾的興趣，“我能不能運(yùn)用自己以前所學(xué)來完成這一研究課題呢？”這一想法縈繞在劉大禾腦海里揮之不去，但因當(dāng)時(shí)工作繁忙，被暫時(shí)擱淺。

回國后，在研究激光雷達(dá)之余，劉大禾抓緊一切可能機(jī)會(huì)開始著手準(zhǔn)備該領(lǐng)域的工作。循序漸進(jìn)的過程中，他的想法也越來越多。“光子晶體研究中的重要工作之一就是全空間禁帶，要做到空間的各個(gè)方向都有禁帶，按照目前的理論，對(duì)材料有著嚴(yán)格而特殊的要求。必須使用高折射率材料，而且技術(shù)非常復(fù)雜。除非是國際頂尖的實(shí)驗(yàn)室，否則都無法做到。

從何處入手才能有新的突破呢？不甘心隨波逐流的劉大禾開始了新一輪的另辟蹊徑。他給自己設(shè)置了一個(gè)挑戰(zhàn)——用低折射率材料實(shí)現(xiàn)全空間禁帶。這一次，他想到了光學(xué)全息技術(shù)，并最終用全息方法和低折射率材料制作出具有真正全空間禁帶的三維光子晶體。

對(duì)于劉大禾的研究成果，英國Nature系列出版物NPG-Asia Materials 于2008年9月4日進(jìn)行了專門報(bào)道，指出他們?yōu)閷W(xué)術(shù)界帶來了“一種簡單的方法來產(chǎn)生可見光波段的全空間禁帶”。美國《應(yīng)用物理快報(bào)》審稿人也評(píng)價(jià)道：“原來，全空間禁帶只能在全世界極少數(shù)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的。利用作者提出的方法，任何一個(gè)普通的實(shí)驗(yàn)室都能做到，而且是使用低折射率材料?！?/p>

“科學(xué)的靈感，決不是坐等可以等來的。如果說，科學(xué)上的發(fā)展有什么偶然的機(jī)遇的話，那么這種‘偶然的機(jī)遇’只能給那些學(xué)有素養(yǎng)的人，給那些善于獨(dú)立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人”華羅庚一席名言，正好為劉大禾從研一生廣收碩果做了一個(gè)最佳的詮釋。