張祥朝：靜水流深

劉賀

精密光學(xué)工程是一門新興的交叉學(xué)科，是決定一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)水平的基石，也是關(guān)乎國(guó)防安全的重要戰(zhàn)略方向。因其重要性，已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相追逐的研究對(duì)象，復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系副研究員張祥朝便是其中一位。

雖是一名年輕的科學(xué)家，且身處光電科學(xué)的探索前沿，張祥朝給人的感覺一直都是沉穩(wěn)踏實(shí)，不浮不躁。這與他所信奉人生信條：“水止猶鑒，靜水流深”有關(guān)。

1982年，張祥朝出生于歷史悠久、人杰地靈的河北巨鹿，自小勤奮聰慧，考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，從此與當(dāng)時(shí)方興未艾的精密工程研究結(jié)下了不解之緣。

憑借一貫的出色表現(xiàn)，他在畢業(yè)時(shí)獲得全額獎(jiǎng)學(xué)金，赴世界著名的英國(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)精密技術(shù)中心攻讀博士學(xué)位，師從英國(guó)工程院院士蔣向前教授，2009年畢業(yè)后留任該大學(xué)研究學(xué)者；2011年12月進(jìn)入復(fù)旦大學(xué)工作，沿著本科畢業(yè)論文《大孔徑高精度平面干涉儀的設(shè)計(jì)》和博士畢業(yè)論文《用于精密坐標(biāo)計(jì)量的自由曲面擬合》的延伸脈絡(luò)繼續(xù)展開研究，且始終秉承嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待科研工作，每一步都走得格外沉穩(wěn)有力。

方寸間洞隱燭微

精密制造技術(shù)的發(fā)展一日千里，關(guān)鍵元件的表面形狀越來(lái)越復(fù)雜，精度越來(lái)越高，產(chǎn)生了一系列的自由曲面和微納結(jié)構(gòu)功能元件，其應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到航空、航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

在“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略引導(dǎo)新一代工業(yè)革命的大背景下，超精密功能元件制造的智能化與精準(zhǔn)化成為先進(jìn)制造的重點(diǎn)發(fā)展方向。于是，張祥朝針對(duì)當(dāng)前加工、檢測(cè)設(shè)備相分離，工件的重復(fù)裝夾導(dǎo)致加工效率和檢測(cè)精度難以提高的現(xiàn)狀，致力于研究關(guān)鍵功能元件的快速在線/在位測(cè)量，對(duì)其開展了持續(xù)而深入的探索。

對(duì)于面形復(fù)雜的自由曲面和非球面光學(xué)元件，單點(diǎn)金剛石切削是主流的加工方式。他們基于相位偏折術(shù)和波長(zhǎng)掃描干涉測(cè)量技術(shù)，發(fā)展了和精密機(jī)床相融合的子孔徑拼接面形檢測(cè)技術(shù)。巧妙地借用機(jī)床自身的精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，加以輔助的伺服監(jiān)控，可以復(fù)雜面形的快速測(cè)量。并發(fā)展了可靠的機(jī)床誤差分離技術(shù)以及六自由度數(shù)據(jù)拼接技術(shù)，避免了重復(fù)采樣等因素引起的誤差，從全頻段保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。該方法克服了傳統(tǒng)離線測(cè)量方法適用范圍小、測(cè)量精度低、且對(duì)環(huán)境要求苛刻的缺點(diǎn)，尤其適用于超精密光滑表面的在位檢測(cè)。

在張祥朝承擔(dān)的總裝備部預(yù)研項(xiàng)目、科技部重大專項(xiàng)等科技攻關(guān)項(xiàng)目中，他和團(tuán)隊(duì)為保形整流罩等關(guān)鍵光學(xué)元件研制了快速檢測(cè)裝置，測(cè)量精度達(dá)到了λ/10量級(jí)。相關(guān)技術(shù)顯著提高了我國(guó)相關(guān)裝備的使用性能，于2016年獲得教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

而精密工程的另一個(gè)的發(fā)展方向是小型化和集成化。以MEMS為代表的微納制造技術(shù)和光電子技術(shù)日新月異，但同時(shí)也對(duì)微納結(jié)構(gòu)元件的精準(zhǔn)檢測(cè)提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)微結(jié)構(gòu)元件特征尺寸小、陡度高、測(cè)量信號(hào)難以采集等特點(diǎn)，張祥朝及其團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于多波長(zhǎng)干涉擴(kuò)展量程、基于雙樹復(fù)小波的波前重構(gòu)、基于智能化模式識(shí)別的相位解包裹、基于光纖導(dǎo)光的全域掃描測(cè)量、基于壓縮感知的信噪分離等一系列新技術(shù)，攻克了一個(gè)又一個(gè)難題，將微納結(jié)構(gòu)元件的三維多尺度形貌完整地展現(xiàn)了出來(lái)。目前，他和中國(guó)工程物理研究院緊密合作，正在針對(duì)壓印輥筒等復(fù)雜結(jié)構(gòu)大尺寸元件研制原位精密技術(shù)，在光電技術(shù)前進(jìn)的道路上再攀高峰。

繁復(fù)中溯源尋頭

胡適有句名言：怕什么真理無(wú)窮，進(jìn)一步有進(jìn)一步的歡喜。對(duì)張祥朝來(lái)說(shuō)，他也喜歡這樣進(jìn)一步的“歡喜”，在無(wú)窮的真理、奧妙的科研面前，他所能做的，就是刨根問(wèn)底，溯源尋頭。

由于超精密功能元件的面形和紋理的復(fù)雜性，不同尺度、不同方向、不同形態(tài)的特征分量之間存在復(fù)雜的糾纏耦合，給復(fù)雜功能元件表面質(zhì)量的控制帶來(lái)極大的難題，也嚴(yán)重制約了先進(jìn)功能元件的可靠設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)表征。

現(xiàn)今，自由曲面的設(shè)計(jì)加工和檢測(cè)已經(jīng)成為提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐技術(shù)和衡量國(guó)家精密工程發(fā)展水平的重要指標(biāo)。

2013年，張祥朝作為“超精密光學(xué)自由曲面面形誤差評(píng)定算法”這一國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人，從基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論著手，攻克了不同目標(biāo)函數(shù)下擬合算法的全局收斂、評(píng)定結(jié)果的穩(wěn)定性與偏畸校正、數(shù)據(jù)采樣及誤差補(bǔ)償?shù)纫幌盗须y題，提出了一系列性能優(yōu)越的自由曲面面形評(píng)定算法。項(xiàng)目結(jié)題獲得“優(yōu)秀”（A），應(yīng)基金委邀請(qǐng)?jiān)诳偨Y(jié)大會(huì)上作宣講報(bào)告。該成果獲得國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，法國(guó)國(guó)際計(jì)量實(shí)驗(yàn)室（LNE）邀請(qǐng)張祥朝作為中方負(fù)責(zé)人，在歐盟Horizon2020重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，合作建立自由曲面的標(biāo)準(zhǔn)擬合算法體系。

對(duì)于形態(tài)復(fù)雜的微觀紋理特征，張祥朝拓展了當(dāng)前表面計(jì)量領(lǐng)域的小波分析方法，基于方向性超小波技術(shù)，發(fā)展了一系列復(fù)雜紋理特征識(shí)別與表征方法。不但根據(jù)其具體形態(tài)特征，發(fā)展了合適的基函數(shù)，并且從數(shù)學(xué)框架視角，分析了不同數(shù)學(xué)表示方法的移變性、頻譜混疊、采樣失真等基礎(chǔ)性問(wèn)題，并提出了有效的解決手段.能夠有效分離刀痕、劃痕、缺陷等形態(tài)分量，從而可以據(jù)此有針對(duì)性地開展工藝分析與性能評(píng)價(jià)。該成果完善了復(fù)雜功能形面的設(shè)計(jì)一加工一檢測(cè)一評(píng)定鏈條.為提高復(fù)雜功能元件的可靠性.改善光電系統(tǒng)的性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

微納結(jié)構(gòu)表面含有確定性幾何結(jié)構(gòu)，其特征尺寸決定了元件的實(shí)際性能，微納領(lǐng)域當(dāng)前面臨的主要技術(shù)瓶頸就是測(cè)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的缺失。為此，張祥朝面向“特征尺寸檢測(cè)評(píng)定的溯源性”這一核心任務(wù).深入研究了針尖膨脹誤差校正、有效數(shù)據(jù)的選取、特征尺寸參數(shù)的可靠計(jì)算、保持邊緣濾波等多個(gè)難題，將特征尺寸擬合精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果顯著提高了微納結(jié)構(gòu)測(cè)量表征的可靠性，也推動(dòng)了我國(guó)微納制造領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

做好科研工作的同時(shí)，對(duì)于“園丁”這一本職工作，張祥朝也始終全力以赴。因?yàn)槟贻p，他與學(xué)生溝通順暢，并將自己多年科研的經(jīng)驗(yàn)融入日常的教學(xué)中，耐心詳細(xì)地給學(xué)生講解；也會(huì)將自己積累多年的人生信念、科研理念和其他感悟潛移默化地感染學(xué)生，因而深受學(xué)生喜愛，屢獲“優(yōu)秀班導(dǎo)師”稱號(hào)。默默付出的同時(shí)，他也收獲了這一職業(yè)帶來(lái)的成就感：在學(xué)生上課時(shí)凝神聆聽的專注中、做實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)試儀器的細(xì)致中感受著他們的成長(zhǎng)；在每年學(xué)生獲得的一份份國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金證書中、在每次結(jié)課后學(xué)生發(fā)來(lái)的一封封感謝信中感受著桃李滿園的喜悅。

盡管年少有所獲，他安靜恬淡，卻不自滿停滯。張祥朝，正用自己的實(shí)際行動(dòng)詮釋著“靜水流深”這一人生信條。他明白，科研前行的愿望離不開踏實(shí)的行動(dòng)和低調(diào)的姿態(tài)，只有這樣才能如水一般，沉靜而不迷失方向。