來源：儀器信息網(wǎng)     鏈接： https://www.instrument.com.cn/news/20211011/593800.shtml

    沒有測量就沒有科學(xué)技術(shù)，沒有超精密測量儀器，就不會有高端裝備制造。然而多年來，中國制造業(yè)升級幾乎是由國外超精密測量儀器來支撐，這是我國高端制造的短板之一。中國在超精密測量儀器領(lǐng)域，是否能夠?qū)崿F(xiàn)顛覆性技術(shù)突破和技術(shù)的持續(xù)躍遷，從而實(shí)現(xiàn)追隨、并行、趕超，讓“卡脖子”不再來？

     漸進(jìn)式創(chuàng)新常有，顛覆性創(chuàng)新不常有，尤其是在歷經(jīng)幾十年發(fā)展的激光測量技術(shù)領(lǐng)域。為了追求“變不能為能，使激光測量儀器具有更高精度、更小體積、更方便使用、更低造價(jià)”，清華大學(xué)教授張書練不介意是否進(jìn)“冷門”坐“冷凳”，深挖激光現(xiàn)象不止，轉(zhuǎn)化激光現(xiàn)象為納米測量技術(shù)不停。從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象開始，到把現(xiàn)象推化為儀器原理，他取得了一系列顛覆性技術(shù)成果：發(fā)明了新型原理雙折射（-塞曼）雙頻激光器，開發(fā)出十多種激光納米測量儀器。目前，多種儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，部分實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，在光刻機(jī)、機(jī)床、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，帶動了納米測量，對科學(xué)技術(shù)做出了的重大貢獻(xiàn)。

張書練教授

     近日，儀器信息網(wǎng)有幸采訪到這位非常具有創(chuàng)新性且多產(chǎn)的科學(xué)家，請他談一談自己這條深耕了40年的偏振正交激光器納米測量技術(shù)的研究和應(yīng)用之路。

路自創(chuàng)新開，果從問題來

     張書練生于農(nóng)村，每每假期，他都下地干活，十分賣力。經(jīng)歷過多次旱澇，也常見春天的鹽堿覆蓋農(nóng)田，缺苗少棵。百姓靠天吃飯，常靠政府救濟(jì)。鋤頭的力量實(shí)在有限，既解決不好溫飽更幫不了別人。他從高中課堂里，學(xué)到了蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電力、化肥，知道這才是“改天換地”的力量。

     20世紀(jì)60年代，清華大學(xué)在四川綿陽建立分校，張書練作為清華大學(xué)精儀系（原機(jī)械系）光學(xué)儀器專業(yè)學(xué)生，隨校遠(yuǎn)赴綿陽，畢業(yè)后留校，被納入分校（現(xiàn)在的清華電子系）激光專業(yè)任教。70年代，國家恢復(fù)研究生招考，張書練考入清華大學(xué)精儀系光學(xué)儀器專業(yè)，并回到北京。碩士論文的研究內(nèi)容是激光陀螺，畢業(yè)后又在精儀系任教。

     激光技術(shù)的基礎(chǔ)和精密儀器系的環(huán)境，使張書練走進(jìn)了“激光”和“納米測量”學(xué)科交叉的方向，心底的追求使他邁向“不創(chuàng)新我何用，不應(yīng)用我何為”的道路。

     《不創(chuàng)新我何用，不應(yīng)用我何為——你所沒有見過的激光精密測量儀器》是張書練教授于2021年3月出版的學(xué)術(shù)書，總結(jié)了自己近40年有新意和有重要性的成果。在寫作過程中，他從回顧中感悟到：失敗和質(zhì)疑是開辟創(chuàng)新之路的動力。

     在中國儀器界，過去長期大幅度落后于西方先進(jìn)國家，這給了我國一個模仿、學(xué)習(xí)、跟進(jìn)的快速成長機(jī)會。但現(xiàn)在或不遠(yuǎn)的未來，如何在無人引領(lǐng)的前沿儀器領(lǐng)域保持創(chuàng)新？張書練教授認(rèn)為，“科學(xué)家應(yīng)該見問題而喜，我們就是為解決問題才當(dāng)教授的。有失敗和質(zhì)疑，就有需要解決的問題，才會有連續(xù)不斷的成果并產(chǎn)生各種應(yīng)用。”

     例如，張書練教授在研究環(huán)形激光器測量弱磁場和測量位移受阻，產(chǎn)生了雙折射-塞曼雙頻激光器，今天顯示出其突出重要性；申請“激光器納米測尺”，被專利審查員質(zhì)疑，因?yàn)樾嗡埔粯訉?shí)為不同，抗辯中接觸了激光回饋，把他創(chuàng)新的正交偏振激光器引入激光回饋又開辟了一個新的方向，如今已是“枝繁葉茂”。

堅(jiān)韌不拔，金石可鏤

    談及對創(chuàng)新的執(zhí)著，張書練教授說“堅(jiān)韌不拔，金石可鏤，才能攀上創(chuàng)新高峰，落實(shí)到應(yīng)用”。他研究的雙折射雙頻激光器，歷經(jīng)30余年才實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，是張書練教授攀上高峰的范例之一。

     近50年來，塞曼氦氖雙頻激光器作為光源的干涉儀——雙頻激光干涉儀，一直是機(jī)械制造、IT（光刻機(jī)）等行業(yè)重要的納米測量儀器。而由于原理限制，這種傳統(tǒng)塞曼雙頻激光器存在三大缺憾。首先，兩個頻率之差一般在3兆赫茲左右。這一小頻率差成為雙頻激光干涉儀提高測量速度的瓶頸，測量速度一直不超過1米/秒，成為提高測量導(dǎo)軌、光刻機(jī)、機(jī)臺等設(shè)備測速的障礙。第二，需要加大頻率差時(shí)，激光器的功率大幅度下降，7兆赫茲頻率差激光功率下降到一百多微瓦，甚至幾十微瓦，測量路數(shù)受到瓶頸性限制。此外，塞曼雙頻激光器輸出的偏振旋轉(zhuǎn)的光束，需要經(jīng)轉(zhuǎn)化才成為偏振與光傳播方向垂直的光（線偏振），這給干涉儀帶來幾納米，甚至10納米的非線性誤差。

     中國計(jì)量院的測試表明，非線性誤差不僅是塞曼雙頻干涉儀的缺憾，也存在于單頻干涉儀和其他類型的激光干涉儀中。

     該如何跳出這一窠臼？從物理原理再出發(fā)！

     張書練教授自1985年起開始了尋找產(chǎn)生大頻率差方法，也即偏振正交激光器的研究。通過梳理、探究激光器的原理、特性和頻率穩(wěn)定技術(shù)，從普通的晶體雙折射現(xiàn)象中，他找到了解決問題的契機(jī)。基于此，通過在激光器內(nèi)置晶體石英片，使激光頻率分裂，一個頻率分成兩個偏振方向互相垂直的光頻率，晶體石英片的厚度，放置角度的微小改變，即可實(shí)現(xiàn)頻率差的大范圍改變，一個全新的雙頻激光器產(chǎn)生了——雙折射雙頻激光器，其可輸出40MHz到數(shù)百M(fèi)Hz頻率差的光。如再加上橫向磁場，成為雙折射-塞曼雙頻激光器，輸出~0MHz到數(shù)百M(fèi)Hz頻率差的光。雙折射（-塞曼）雙頻激光器為雙頻激光干涉儀性能的階躍（減小非線性誤差，提高測速，增加測量路數(shù)）做好了準(zhǔn)備。

     利用雙折射產(chǎn)生雙頻是把石英晶體片安放于激光器內(nèi)，張書練證明雙折射雙頻激光器的可行性。進(jìn)一步，找到了消除兩個頻率相互競爭的“死區(qū)”，解放出0~40兆赫茲頻率差的方法，這其中有復(fù)雜的物理問題，又有復(fù)雜的技術(shù)問題。再進(jìn)一步，就是找到能實(shí)用、最優(yōu)的雙折射雙頻激光器的結(jié)構(gòu)，包括實(shí)現(xiàn)全內(nèi)腔，真空封接方式，消除環(huán)境溫度變化影響等。為此，十幾位研究生（博士，碩士）和工程師長期持續(xù)攻關(guān)，難以計(jì)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，否定之否定，最終發(fā)明了內(nèi)應(yīng)力激光腔鏡，即把雙折射做在激光器反射鏡內(nèi)。這一激光器稱之為雙折射-塞曼雙頻激光器。這一激光器技術(shù)站在了世界雙頻激光的前列。

     最后的勝利要體現(xiàn)在雙頻激光干涉儀上，只有把雙折射雙頻激光器作光源的雙頻激光干涉儀做出來，并在應(yīng)用中糾錯改進(jìn)，被應(yīng)用認(rèn)可，推廣開，才算成功。從原理設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置、工程樣機(jī)到儀器產(chǎn)品的跨越，可謂“古來征戰(zhàn)幾人回”。

     “熬人！”張書練教授用兩個字表達(dá)了自己的體會，但他的臉上卻洋溢著自豪。

     “從提出原理，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到產(chǎn)品化，并應(yīng)用到雙頻激光干涉儀中。一開始儀器不穩(wěn)定，我們就不停做調(diào)整，做工藝改造。在這個過程中，十幾年就過去了。”張書練教授說到。

     如今，張書練教授發(fā)明的以雙折射雙頻激光器為核心的激光干涉儀已成功實(shí)現(xiàn)批量商用。該儀器可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、光刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床、航空航天、艦船等行業(yè)；其核心部件——雙頻激光器，基于雙折射產(chǎn)生激光雙頻的原理，比國內(nèi)外傳統(tǒng)的塞曼雙頻激光器的激光功率平均高四倍、頻率差大一倍或兩三倍、最近達(dá)到13倍（40MHz），且沒有兩個頻率之間耦合串混，分辨率達(dá)到1納米，線性測量長度范圍0到70米，非線性誤差小于1納米，測量速度超過2米/秒。這些技術(shù)指標(biāo)，滿足了機(jī)床檢定、高端光刻機(jī)工件臺定位等應(yīng)用的要求。據(jù)透露，華為等經(jīng)過廣泛調(diào)研，選定了張書練教授的雙頻激光干涉儀，此外，相關(guān)機(jī)構(gòu)也選定了張書練教授的雙頻激光器。

    獨(dú)辟蹊徑，步步生花

    雙折射-塞曼雙頻激光器和干涉儀的成功是是從“冷門”里出來的，張書練教授認(rèn)為，“被世界公認(rèn)為那種‘紅的’、‘紫的’領(lǐng)域，最有創(chuàng)新的工作往往已經(jīng)完成了，再跟過去，雖然也能發(fā)表文章，也能突破，但僅僅是在人家設(shè)計(jì)好的大筐子里做。”

     “冷門”研究，說起來容易，做起來難。因?yàn)樘剿鞯氖切略淼膬x器，研究的是幾乎空白的領(lǐng)域，張書練教授在工作展開過程中不可避免地遇到了太多的問題，他卻對此保持了一個非常樂觀的心態(tài)。在激光器的研究過程中，他深入揭示了其物理現(xiàn)象（獲教育部自然科學(xué)一等獎兩項(xiàng)），如以往不能觀察的激光模分裂、模競爭、正交偏振，正交偏振回饋等，并從新發(fā)現(xiàn)的這些現(xiàn)象中思考，獨(dú)辟蹊徑，步步生花。

     在為雙頻激光干涉儀研究雙折射（-塞曼）雙頻激光器的同時(shí)，張書練教授研究了雙折射雙頻激光器的兩個頻率之間的耦合，也就是它們相互爭奪（競爭）能量的過程，看到一個頻率光強(qiáng)度增加伴隨另一個頻率的光強(qiáng)度減小，直至一個到最大時(shí)另一個被熄滅，周而復(fù)始。一個全過程正好是激光諧振長度變化半個光波長（316納米），電路處理后，一個上升沿、下降沿是78納米。這就是張書練教授發(fā)明的氦氖激光器納米測尺等儀器，獲得了國家發(fā)明二等獎（2007年）。

     激光的兩個偏振正交的頻率是因在激光器內(nèi)放入了晶體石英或應(yīng)力元件產(chǎn)生的，反過來，測出激光器的頻率差就知道了激光器內(nèi)的元件有多大內(nèi)應(yīng)力，多大內(nèi)部雙折射，這就發(fā)明了世界最高精度的光學(xué)波片和雙折射的測量儀器，比傳統(tǒng)儀器高一個量級。特別是測量方法可溯源到自然基準(zhǔn)——光的波長。其至今成為**的國家標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，也是世界上***波片相位延遲標(biāo)準(zhǔn)。客戶利用這種儀器對加工過程中激光陀螺的元件進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力檢測，找到了殘余應(yīng)力的成因，顯著提高了精度。上海光機(jī)所用標(biāo)準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)了用于核聚變研究的激光玻璃內(nèi)應(yīng)力測量的儀器。這款儀器使他再次獲國家發(fā)明二等獎（2010年）。

     氣體HeNe激光器可以做出以上儀器，固體微片（毫米尺寸）激光器能有所作為嗎？張書練教授指導(dǎo)博士生開始固體微片（毫米尺寸）激光雙頻激光干涉儀的研究，也取得了成功，研制出國內(nèi)外第一臺固體微片激光雙頻干涉儀，第一臺固體微片激光回饋位移測尺。

     張書練教授從最基本的激光原理和光學(xué)原理出發(fā)，以解決問題為導(dǎo)向，一個又一個的創(chuàng)新思維，指導(dǎo)開發(fā)出這些世界獨(dú)一份的納米儀器，應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化，從而創(chuàng)建了“偏振正交激光器納米測量”學(xué)術(shù)體系。

儀儀相連，都是“中國創(chuàng)”

    張書練教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開的研究工作，像葡萄樹一樣，一直向上開花結(jié)果。行進(jìn)中，來了一個又一個“中國創(chuàng)”的機(jī)會，橫向看去，儀儀相連成片，都是顛覆性的技術(shù)。

     激光回饋本來是激光系統(tǒng)中“絕對的害群之馬”，張書練教授之前看過相關(guān)的文獻(xiàn)，卻沒有想到要去研究它。因“位移自傳感器氦氖激光器系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法”專利在申請的時(shí)候被專利審查員駁回，說其與美國伯克利分校的一個專利相同，張書練教授便仔細(xì)閱讀了審查員提供的對比文件，發(fā)現(xiàn)兩個專利在結(jié)構(gòu)上非常雷同，核心元件一樣多，擺放順序一個樣，卻因一個鏡片的差別，使其原理完全不同，屬于兩個分支。

     張書練教授的專利，在鏡片兩面都鍍上了激光消反射膜，光線沒有反射地通過，鏡片僅僅起到密封激光器的殼內(nèi)氣體的作用，完全不遮擋光線，所以被稱為窗口片；而伯克利的這個鏡片是個高反射率鏡片，激光器靠其對光束的反射形成振蕩。也就是說，一個與激光振蕩無關(guān)，一個是激光器振蕩的必需元件，即前者是激光振蕩系統(tǒng)，后者是激光回饋系統(tǒng)。

     張書練教授想到，如果自己的偏振正交激光原理引入回饋，又會是什么行為呢？試一試！

     張書練教授先安排一個研究生研究激光回饋技術(shù)，要親自看清了激光回饋的行為，思考激光回饋技術(shù)走向何方。自然想起偏振正交激光器技術(shù)，他用偏振正交激光器改造了激光回饋，于是，觀察到若干新的現(xiàn)象，形成了偏振正交激光器回饋納米測量系列技術(shù)和儀器，把激光回饋技術(shù)推上了一個新的高度，也使偏振正交激光器“再添雙翅”。

     或走入他的實(shí)驗(yàn)室參觀，或閱讀他的四部專著（《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不創(chuàng)新我何用，不應(yīng)用我何為——你所沒有見過的激光納米測量儀器》）和近400篇論文，可看到，張書練教授及其團(tuán)隊(duì)研制出的激光回饋光學(xué)相位延遲/內(nèi)應(yīng)力在線測量儀、激光回饋納米條紋干涉儀、微片激光（Nd：YAG和Nd：YVO4）共路（和準(zhǔn)共路）移頻回饋干涉儀、激光回饋遠(yuǎn)程振動和聲音測量儀、激光回饋材料熱膨脹系數(shù)測量儀、微片固體激光萬分尺、Nd：YAG雙頻激光干涉儀、微片固體激光回饋共焦測量技術(shù)、微片固體激光回饋表面測量技術(shù)等十余種國內(nèi)外**的納米測量儀器，儀儀相連，構(gòu)建出了一個“正交偏振激光器回饋納米測量儀器”體系。

     “步步生花”的“偏振正交激光器納米測量儀器”和“儀儀相連”的“偏振正交激光器回饋納米測量儀器”，構(gòu)建成了一個完整的“偏振正交激光器及納米測量”體系。“其中，激光器是核心，我們看見并解決了他人沒有想到的問題，儀器的‘臺階’也就上來了。”張書練教授說他和團(tuán)隊(duì)的成果鮮明特征是，“激光器就是儀器，儀器就是激光器自身。”

坐實(shí)創(chuàng)造，不讓論文變“云煙”

    在實(shí)驗(yàn)室里，一個博士生來了，做完實(shí)驗(yàn)，畢業(yè)后離開，然后再來一個博士生，這是一種很正常的安排，卻往往使經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)難于傳承，因?yàn)檎撐睦锩嬗涗浀囊话愣际呛玫慕Y(jié)果，不常寫入失敗和糾正錯誤的過程，傳承不全面。張書練教授很早就注意到了這個問題，因此邀請了4個工程師來實(shí)驗(yàn)室工作，由他們和學(xué)生一起完成實(shí)驗(yàn)。也正是這些工程師的工作，幫助張書練教授及其團(tuán)隊(duì)傳承了一個個技術(shù)和儀器。

     張書練教授很注重團(tuán)隊(duì)研究課題的取舍，發(fā)現(xiàn)論文漂亮，實(shí)際上不能應(yīng)用的，或更改方案，或暫時(shí)放下；發(fā)現(xiàn)論文漂亮，實(shí)際應(yīng)用可能性大的，就持續(xù)研究，做實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。一直找機(jī)會儀器化，把**的技術(shù)和儀器推向應(yīng)用。

     除了雙折射雙頻激光干涉儀外，國內(nèi)外首臺基于激光回饋原理的納米分辨力固體激光回饋干涉儀也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在美國圣路易斯華盛頓大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)（三臺已應(yīng)用10年）、上海理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等處被應(yīng)用，且使用情況良好。該儀器能夠無接觸地測量微、輕、薄、黑、燒紅等目標(biāo)的移動量，以及水、酒精等液面的位移和高度變化，**不需要在被測物上加附件配合，可用于監(jiān)測航天相機(jī)的支架和鏡面形變等。該儀器還可用于刻劃光柵的金剛車刀，光束直接射向車刀，改變了以往光束射向車刀支撐臂的方式，將測量誤差減小到1/4。

     “這些儀器，我想無論如何還是要傳承下去。我在這塊做了幾十年研究，花了國家不少錢，要回饋給社會，這是我目前所想的事兒。雖然已經(jīng)有幾款儀器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但還是希望另外幾款儀器也能‘成氣’，至少，有儀器公司能把它接下來，由企業(yè)來推動儀器化、產(chǎn)業(yè)化。”張書練教授說到。

     據(jù)悉，北京鐳測科技有限公司正努力把儀器產(chǎn)業(yè)化，尤其是雙頻激光干涉儀已經(jīng)被幾個半導(dǎo)體企業(yè)采購，擔(dān)當(dāng)起半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈一個重要環(huán)節(jié)國產(chǎn)化替代的歷史重任。此外，華為、德國Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等國內(nèi)外企業(yè)也在為張書練教授團(tuán)隊(duì)儀器的產(chǎn)業(yè)化和推廣而努力。

     凡是新原理的東西，想要真正被社會所認(rèn)可，盡管再好用，再有潛力，都是要花時(shí)間的。且由于歷史和思維定式，國外多年強(qiáng)勢，要國人接受中國自己的創(chuàng)造有很多事要做，要國人接受國產(chǎn)高檔激光儀器也是一個循序漸進(jìn)的過程。張書練教授對此表示：“困難怕意志，中國創(chuàng)、世界用的時(shí)代一定會到來！”  

個人簡介

    張書練，清華大學(xué)本科，碩士，教授，博士生導(dǎo)師。激光和精密測量專家，偏振正交激光器納米測量技術(shù)的國內(nèi)創(chuàng)建人和國際主要創(chuàng)建人。作為第一完成人，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎兩項(xiàng)，教育部自然科學(xué)一等獎兩項(xiàng)，電子學(xué)會發(fā)明一等獎一項(xiàng)等十余次獎項(xiàng)。他在ISMTII-2017國際學(xué)術(shù)會議上被授終身貢獻(xiàn)獎。出版專著：唯一作者3部，第一作者1部，主編國際會議專題文集2部，計(jì)測技術(shù)“教授論精密測量”一期，發(fā)表論文360余篇，發(fā)明專利權(quán)80余項(xiàng)。發(fā)明的雙折射-雙頻激光器及干涉儀等納米測量儀器已經(jīng)批產(chǎn)。