清华大学精仪系张书练教授等完成的“光学元件内应力、双折射和光学波片相位延迟测量的新原理和仪器”项目获2010年度国家技术发明二等奖

潜心攻关 独辟蹊径

●实习记者 陈玲

     今年年初,在国家科学技术奖励大会上,我校精仪系教授张书练怀着激动的心情,从国家领导人手中接过了2010年度国家技术发明奖获奖证书。这份奖励凝聚着张书练及其团队12年来的心血与汗水。而这长达12年的辛勤探索最初是源于一个多年悬而未决的理论难题。

  从理论上说,光学材料和元件内都有残存应力,使得光束经过时发生双折射,双折射有可能导致成像质量降低从而影响系统性能。而相位延迟是光学元件内残存应力的度量,相位延迟越小,光学元件内残存应力越小。

  光学波片是利用材料的双折射实现光线电场矢量旋转的基本光学元件,光学波片相位延迟量的精度决定了光线电场矢量旋转精度。因此,相位延迟量是光学波片的核心技术指标,直接的质量表征。

  为实现光学元件及光学波片制造质量的控制,需要对它们的相位延迟进行测量,国内外常用方法均无法消除构成测量光路自身元件的相位延迟及测量操作带入的误差。这是个多年未解决的老难题。

  清华大学精密仪器与机械学系张书练教授带领科研团队历时12年,走原理发明之路,反运用激光器频率分裂效应,提出了基本原理 “光学元件的相位延迟正比于激光器输出的频率差”,导出了原理公式并转换成仪器公式,将传统的直接测量转化为激光器频率差的测量,研制出光学波片相位延迟测量仪,先后解决了仪器使用过程中的一系列难题,并通过自溯源到激光波长,使“测量”成为“计量”。

  该项目统一了现有的各种波片测量方法,成果被全国光学和光子学标准化技术委员会确定为国家标准———《波片相位延迟测量装置的校准方法》。2006年初起,项目发明的仪器逐渐成为不可替代的光学元件微小内应力和光波片相位延迟的测量设备,为多个单位测定了多批次产品,校准了4台进口仪器,在产品质量控制和工艺选择中发挥了重大作用。

  改“灯泡”作测量

  上世纪 60年代,我校在四川绵阳建立分校,张书练作为当时精仪系光学专业的学生,也远赴绵阳。毕业后,张书练留在分校任教。60年代末70年代初,我校电子工程系周炳琨院士创建了清华激光专业,刚毕业的张书练即跟随周炳琨做了9年的激光研究工作,从此与激光结下了不解之缘。

  1978年,张书练参加“文革”后第一届研究生招考,被录取到清华北京本部精仪系攻读硕士学位。当时的精仪系主要从事仪器科学技术以及机械制造的教学和研究,测量是其中的重要研究课题,张书练也就顺理成章地“改行”,在粱晋文、金国藩等大师们的带领下钻研测量。9年的激光研究经历使张书练萌发了将激光与测量结合起来的想法:“做激光器的人不管测量,做测量的人不管激光器内部的事,而我就总爱拿激光器做文章,通过不断改变激光器的结构和特性做测量。”同国内外的同行相比,张书练显得与众不同:“别人只把激光器当成高质量的灯泡用,我却直接改这个灯泡,用灯泡自身来做测量。”

  大胆的学科交叉研究使得张书练走上了一条独辟的蹊径。这种尝试的好处是易创新、易出成果,但“阳春白雪、和者甚寡”的尴尬持续了多年,这也让张书练颇感无奈:“激光人不熟悉测量,测量人不熟悉激光物理,所以我研究的东西,能响应的人就少了。”尽管如此,张书练仍坚持了下来,数年积累终于使他获得学术界和企业的广泛认可,在激光测量领域有了一系列遥遥领先的成果,至今已拥有两项国家技术发明二等奖、两项教育部(委)自然科学一等奖和若干次省部级二等奖。

  12年“接力”克难关

     10多年前,张书练指导了一个名叫徐小楠的本科生做毕业设计。当时,他正在研究激光器的“两频率”问题。所谓两频率,通俗地讲就是指把波片放入激光器内后,由于波片内部存在两个折射率,使得激光器产生的光束有了两种频率。

  波片与“两频率”之间的关系让张书练萌生了用“两频率”测量波片的想法,于是,他用这个想法指导徐小楠的本科毕业设计。尽管本科生研究时间短暂,最终那个毕业设计只具有演示意义,但却使张书练在提出原理并导出仪器公式后,与三代博士生共同努力,历经 12年,使“两频率”测量波片和内应力测量终成现实。12年的研究,仿佛一场漫长的接力赛。

  1997年,“接力棒”交到了金国藩院士的博士生张毅手中。在老师们的指导下,张毅用4年时间完成了一个实验装置的装调工作,并使之有了初步的功能。但是,这个阶段的实验装置尚不能测量半波片、全波片和相位延迟很小的波片。重复性、稳定性以及测量精度都有待提高。

  2001年,张书练的博士生宗晓斌进入该项目组,张毅与宗晓斌用近一年的时间完成了项目交接。宗晓斌进一步完善了项目的理论基础,从实验上发现了激光束电场矢量90度“跳变”现象,并分析了其他一些误差因素。他还改进了装置的电路,使仪器自动化程度有所提高。

  宗晓斌也发现了两个问题:一是系统稳定性仍旧很差,二是“奇怪”的频率分裂量 “畸变”。其中,频率分裂量“畸变”是当波片放入实验装置之后总会产生与被测元件相位延迟无关的一个20兆赫兹左右的频率分裂量。这无端而来的20兆赫兹是一项会导致全盘失败的误差源。在近乎两年的时间里,这些问题一直无法得到解决,项目组动员全体同学多次探讨、实验仍毫无进展。宗晓斌回忆说:“那个时候为了解决问题试过好多方法,甚至想到是不是空气扰动问题,还自己做了个真空装置。”

  2005年,博士生刘维新也参与到这项研究中,那个真空装置也让刘维新印象深刻。为了抵抗抽成真空后箱体表面承受的大气压力,整个箱体竟采用了十几毫米厚的钢板。

  被宗晓斌和刘维新认为“点子很多”的张书练一时也想不出更好的办法。但他依然鼓励大家要坚持,要不怕失败,有问题才有创新。随着宗晓斌的毕业,大家都期待着刘维新能拨开阴云见晴日。

  谁也没有料到,问题很快有了转机。先是稳定性问题在试探中解决了:张书练多次到激光器厂观看制造激光管工艺过程,逐渐意识到激光放电管自身存在不稳定,于是安排了南方另一家制造厂用另外的工艺制造了激光放电管并让刘维新试用。没想到,刘维新一用便看到了稳定效果。

  与此同时,刘维新研究的20兆赫兹“畸变”问题也取得了进展。他通过实验发现,以往认为“被测元件法线与激光束越平行就越好”是个误区,反而正是平行引起了畸变。只要被测量的元件法线偏离开激光束方向一个角度,畸变就消失了,理论计算也证明了这一点。

  解决了这些问题后,刘维新根据宗晓斌发现、自己发展的激光分裂频差和不同光强调谐曲线之间的对应关系,提出了分别采用 “频率分裂直测法”、“附加波片偏置法”和“纵膜间隔比较法”实现对波片任意大小相位延迟量的测量,并完成了从实验装置到仪器的转化。

  在刘维新这一“代”,仪器精度被提高到万分之一波长以内,远远优于国内外传统仪器测量的360分之一波长或更低的测量不确定度。

  面对这些可喜的进步,张书练从来没有忘记过另外一群“功臣”,那就是负责仪器机械设计、电路工程化组装的工程师们,研究生给出的仅是设计原理,无论技术研究还是仪器化都需要工程师们的密切配合。

  老师加三代博士生的努力,“两频率”测量光学元件内应力和波片终于完成了仪器化过程,现在的仪器已经能够做到15秒自动化测量,精度高、测量重复性好,随着项目的不断进展,项目成果论文也不断发表。

  除此之外,项目组还运用该仪器为中航工业西安 618所以及诸多企业作了相关测量。成都量具刃具研究所也购买了一台相位延迟测量仪,并评价“在国内外市场上一直没有发现满足我们要求的仪器……使用此仪器测量了我们的波片,效果很好。”

  “零”误差 立新标

     张书练项目组的相位延迟测量仪除了前面所说的原理新、精度高等特点,它还具有独特的自溯源能力:使仪器自溯源到激光波长这一自然基准,让“测量”真正成为“计量”。通俗地说,这就好比一般的测量仪是“普通米尺”,而张书练的测量仪是“基准米尺”,它不仅能知道 “普通米尺”有多少误差,还比“基准米尺”多了个功能———仪器知道自身和 “真正的米尺”差多少,不需用更高档仪器给出。仪器自身的频率差让仪器知道自己本身的内应力,和“零”差多少,在仪器制造中事前除去就行。

  这一大特点使得在2009年11月4日国家光学和光子学标准化技术委员会召开的审查会上,项目成果被认定为国家标准《波片相位延迟测量装置的校准方法》。这一标准是世界上第一个对各种原理的波片测量仪器进行统一校准的方法,填补了国际空白,而以这个标准为基础,未来还有对现行国际内应力测量标准作出修订的可能。喜欢不断尝试的张书练心中一直坚守着这样的想法:“清华要有世界一流水平的学术地位,就得做世界上没人做的事儿,这些事儿很可能会失败,但你可以试验一下。现在看来,好多事儿也都能做成。所以我这两三年坚持走下来,就用‘两频率’来做文章,研究激光物理,研究各种各样的使用途径,测波片、测应力、测位移、测生物,基本上出来的东西都是世界上‘独一份儿’的。”

  如今,在清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室中,张书练课题组不仅拥有能够测量波片相位延迟和元件应力的仪器,还有着各种充满巧思的测量仪器,其中包括世界上首支双折射-塞曼“两频率”激光管、首台完全非接触测量激光回馈纳米干涉仪、首台激光纳米测尺、首台激光回馈表面测量仪、首台激光频率分裂-模竞争实验系统等等。在展示这些仪器的时候,张书练脸上满是自豪,他和他的学生们继续在通往理想的路上执着前行……

2011年05月23日 14:19:04  清华新闻网

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