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2015/1/1
刘大禾:与布里渊散射的那些年

文/刘荣 杨进平

  有人说,做一件事不难,难的是几十年只做一件事。也有人说,在“快餐文化”蔚然成风的今天,人人都在“抢”时间“抢”金钱,已经很少有人会为了一件事耗费几十年的耐心和等待。即便有,那也是极少数的“傻子”。因为,谁也说不准等待我们的是成功还是失败。
  北京师范大学教授刘大禾与布里渊散射研究相伴走过了近二十年,他不介意做人们口中的“傻子”。对他而言,名利、金钱都是浮云,若能换来真正有价值的成果,别说二十年,更多时间也义不容辞。
  在刘大禾的世界里,时间仿佛被放慢了,像一个个慢镜头,温柔细腻地记录着他与布里渊散射研究的每一帧画面。这些画面被打上了柔光,让人恍惚以为他不是在做一项科学研究,而是在精雕细琢,打磨一件艺术品。

刘大禾(中)指导研究生

  只是因为在人群中多看了你一眼

  所谓布里渊散射,是法国物理学家布里渊于1922年提出的,一个可以研究气体、液体和固体中声学振动的物理概念。
  为了便于理解,刘大禾做了通俗的解释:“晶体中含有很多原子或离子,它们总是处于振动状态,振动产生波,引起的效应就是布里渊散射。以一杯水为例,水面某个点的折射率会随温度和压力的变化而改变,这种涨落向四周传播即形成声波。波有一个个波阵面,犹如一面面运动的镜子,光照射到这些‘镜子’上产生多普勒效应,使反射光频率发生改变,于是人们测到的散射光和实际入射光之间产生了频移,这就是布里渊散射。”
  刘大禾与布里渊散射研究的关系,用一种浪漫拟人的手法描述的话,就如一句歌词所唱—“只是因为在人群中多看了你一眼”。
  1994年之前,刘大禾的心思主要在光学全息和信息光学研究上。1986年至1990年间,他在国内从事光学全息物理基础研究。1991年在美国Aerometrics公司激光实验室,他从事了一段时间的激光雷达研究工作。此后,他又被公派到加拿大Laval大学光学中心,依然从事光学信息处理研究。
  今天,布里渊散射在激光雷达中得以应用。所以回头去看,1991年的激光雷达研究,似乎冥冥中为刘大禾日后的布里渊散射研究偷偷埋下了伏笔。
  一切的改变都源于1994年。这一年,刘大禾的导师承担了几个研究项目,布里渊散射是其中之一。刘大禾当时并不负责这项课题,只是看到同伴们遇到困难继而出手相助。然而,就是这一次偶然的帮忙之举,让他与布里渊散射结下了不解之缘。于是,刘大禾正式踏上了布里渊散射研究之路。
  此后,刘大禾全方位深入到了课题研究中,甫一出手,仅花费5万人民币就攻克了在美国需要10万美元、在俄罗斯需要5万美元才能突破的一个项目所需的关键难题,令导师大为惊喜。
  刘大禾这种以较少经费完成较难课题的“特技”或许就是在这个时期形成的。直到今天,他依然擅长处理这种“以小见大”的课题,并对此乐此不疲。用他的话说:“没钱才能逼你必须bwin|登录”。

  把握每个瞬间,让梦想慢慢实现

  歌手田震唱过一首歌,里面有句歌词是这样的—“把握每个瞬间,让梦想在一分一秒中慢慢实现。”刘大禾的科研人生,倒是与此歌词有异曲同工之处。

  该出手时就出手
  在美国工作期间,刘大禾听闻国家863计划将涉及海洋领域。这个消息令他心动不已。“我国海洋资源丰富,若能得到863计划的支持,回国开展研究,很多想法肯定能得到很好的实施。”对于这样一个难得的机会,科研嗅觉灵敏的刘大禾怎么可能放过。于是1996年,他回了一次国,为自己的研究做了前期“宣传”。
  刘大禾之所以如此积极,除了因为能回到祖国怀抱,解除思乡之情外,更重要的是,他当时的研究重点针对的是水中的布里渊散射,坚信将布里渊散射用于海洋监测,潜力巨大。
  布里渊散射的光谱特性与多个海洋参数有着直接联系,刘大禾的大胆构想,是将布里渊散射应用到新型激光雷达的研制中,一旦作出成绩,必然能使我国海洋监测事业的发展更上一层台阶。
  这种构想并非空穴来风。一方面,长期以来,我国海洋监测通常是在不同位置及深度布置大量浮标,数月之后回收这些浮标从而进行相关数据处理和分析。这种方法有几个缺点:首先,无法获得实时数据,有时还会因为其他原因导致部分浮标丢失,采集不到完整测量数据;其次,大量浮标的投放背后,是高昂的成本支出。再加上浮标探测属于接触式探测,如果遇到恶劣环境,则会受到严重影响甚至无法完成探测任务。
  曾有人提议可以使用微波雷达。诚然,微波雷达确实能够对海面进行监测,但到了水下,却也只能哀叹“江郎才尽”。
  另一方面,尽管作为一种新型的海洋监测工具,水上水下“通杀”的激光雷达被赋予众望。但在刘大禾看来,目前的激光雷达采用幅度探测法的居多,也就是通过探测回波信号幅度的变化获取相关信息。这种方法往往只能探测到一个海洋参数,在很大程度上限制了激光雷达的应用范围。而在探测目标方面,这种方法也使得激光雷达的功力大大减弱,尤其是遇到隐身目标时,则束手无策。
  “提出一种新的激光雷达原理,发展相应的新技术,是非常有必要且有意义的探索。”刘大禾认为,布里渊散射就是不二选择。
  越想越觉得前景光明。刘大禾干脆鼓起勇气将海洋实时监测的构想写成材料,向中国科学院和国家海洋局的有关专家反复介绍。经过一轮又一轮严格的答辩和审核,最终,这个极具潜力和吸引力的计划征服了863专家组。

  越挫越勇,我永不退缩
  1998年6月,刘大禾带着异国导师的鼓励和支持回国,2个月后,他的863计划课题“海洋实时监测的激光布里渊散射方法研究”正式立项。短暂的激动与喜悦之后,他很快冷静下来,开始客观专业地分析课题。
  虽然刘大禾有四年的布里渊散射研究经验,对相关知识的认识和了解已经很深入,但此前的工作都是以美国的条件和环境为背景基础。现在要在中国开展工作,首要任务是要结合中国的实际情况,进行本土化处理,分析项目在国内施行的可行性,避免“水土不服”。这对刘大禾来说,难度不是很大。
  让他比较尴尬的是研究经费非常有限。据他透露,按照当时我国对科研项目资金支持的相关规定,国家863项目经费大约40万,国家自然科学基金项目也仅有十几万。对“海洋实时监测的激光布里渊散射方法研究”这样的大型项目而言,显然杯水车薪。不过,这对擅长“以小博大”的刘大禾来说,也不是特别难克服的问题。相反,他倒是很乐观地说:“那就‘穷’课题‘穷’做咯!先从理论和技术基础做起。”
  真正让刘大禾感觉力不从心的是研究所需设备的购置,这对科研经费有限的他而言,在当时着实比较棘手。没办法,只能一天一天等,一点一点凑。2003年,等到他在“学校211工程”的支持下,攒够足够的经费把设备全部备齐时,无奈“非典”又来了,购买的国外设备进不来,真是应了那句——“天将降大任于斯人也,必先苦其心志……”直到2004年,他和课题组才正式开展完全的自主实验工作。
  面对一道道困难和障碍,刘大禾始终从容应对,他相信好事多磨。相比后来研究过程中遇到的挑战,这些前期准备道路上的“小插曲”只会让他越挫越勇,更加坚定自己的目标,努力实现布里渊散射激光雷达在国内海洋实时监测中的应用。

  我终于看到,所有梦想都开花
  在863计划“九五”、“十五”、“十一五”期间给予的连续支持下,刘大禾历时多年的研究终于迎来了收获的喜悦—其成果获得了省部级自然科学一等奖,并分别通过了2007年12月、2010年5月以及2014年3月教育部主持的成果鉴定,多名院士、知名专家一致认为他的研究达到了国际领先水平,具有巨大的发展潜力。
  人们为刘大禾的成功拍手称赞,但只有他自己知道,光环闪耀的背后,那段艰苦而漫长的攻关之路,他和他的伙伴们走得多么艰辛。
  时光倒回2004年,经历了前期的种种考验,“海洋实时监测的激光布里渊散射方法研究”终于正式启动。经过一番讨论和分析,刘大禾将最终方向锁定“受激布里渊散射”。受激布里渊散射最大的特点,就是回波沿入射激光的反方向回传且几乎不扩散,信号被放大,能够很大幅度提高激光雷达的探测能力。
  这不得不说是个大胆的决定,要知道光在水下会出现衰减现象,严重影响探测距离。而这种规律对受激布里渊散射的影响则更大。刘大禾的这个决定意味着,等待他的将是一条极具挑战的攻坚之路,而摆在他面前的第一道障碍,便是如何克服受激布里渊散射的缺点,且使其长处都得到发挥。
  原理上,刘大禾已经证明了可以在保持受激布里渊散射优点的同时扬长避短,接下来只要突破技术上的难点,他的课题就离成功不远了。
  刘大禾为此付出的是两年多绞尽脑汁的思考和数不清的反复试验。最终,他解决了这个问题。他不但找到了受激布里渊散射光强与线性衰减之间的关系,提出利用受激布里渊散射实时监测水的浑浊度的方法,并给出了定标曲线以及该方法适用的稳定工作范围,还给出了受激布里渊散射能够大幅度提高系统信噪比和探测深度的理论和实践证明,将其成功应用于激光雷达。这在国内乃至国际都尚属首次。
  刘大禾以此研究成果发表的多篇高水平论文得到了业内人士的高度认同,也收获了多个国家发明专利。但他并未就此满足,而是乘胜追击,又利用布里渊散射信号可被放大的这一优势,首次尝试将受激布里渊散射和泵浦放大应用于激光雷达中,成功获得具有放大功能的激光雷达系统样机。
  据了解,国际上惯用衰减度表示探测深度,一般最干净的水一个衰减长达约为20米,浑浊的水或许只能达到几厘米。刘大禾的系统样机经过测试,最好的探测深度能够达到10个衰减长度,远远超过国际上5个衰减长度的最好成绩,定位精度达到0.2米,刷新了国际记录。
  前面提到,刘大禾认为原有激光雷达遇到隐身目标将失去能力。为弥补这一缺憾,他在受激布里渊散射激光雷达研制中,赋予了该雷达反隐身的特性。
  原理看上去很简单,按照刘大禾的构想,具体的目标可以隐身,但海洋、大气等环境本身却是不可隐匿的。如此一来,利用目标对周围介质的排斥性,就能通过探测目标周围环境场的散射光谱来发现目标。
  刘大禾做了较通俗的解释:“通常而言,水中会自发产生声波,并以声速向各个方向传播。当光与声波相遇,声波运动时产生的多普勒效应使散射光频率发生变化,出现频率大于和小于入射光中心频率的两个散射光,也就是通常说的频移。”
  “这时候,如果水下有物体,它所处的位置是没有水的,水中散射光谱的布里渊散射分量则消失,我们只要监测到布里渊散射光谱的相应变化,就能知道此时此刻在水下某一深度是否有目标。”
  这种想法在当时可以说是一个原理上的大胆bwin|登录,刘大禾最终克服种种困难,将该理念成功转化成实际成果,让布里渊散射激光雷达既能很好地对海水声速、体粘滞系数、温度、盐度等海洋参数进行实时监测,还能很好地探测用常规方法无法发现的目标,为我国海洋监测提供了全新的有效手段。
  自此之后,刘大禾又将布里渊散射应用于海洋温跃层特性研究中,取得了颇有价值的成果,为研究温跃层形成特点、内部结构等奠定了基础,对我国海洋科学和国防建设发展意义重大。而在老本行光学全息方面,他创造性地提出用低折射率材料实现全空间光子禁带思想和方法,并利用普通全息记录材料从实验上获得了真正意义上的全空间禁带,在国际上引起了强烈反响。

刘大禾(右)与外国专家在一起

  为了梦想奋斗,那才是种享受

  刘大禾的布里渊散射激光雷达的研究取得了诸多优秀的成果—课题组发表相关论文36篇,数量不是太多,但每一篇都是高质量,引用超过1000次,国际和全国性学术会议多次邀请让他作特邀报告……
  从某种意义上讲,刘大禾是幸运的,他几乎所有最初的构想都如愿得到了实现,在863计划的支持下,在他孜孜不倦的追求中得到了很好的实施。对于自己的成功,刘大禾多次明确表示,这与很多院士和专家的支持是分不开的,没有他们的支持就没有项目的今天。
  科学家的成功大都有类似的几个特点:发现有前景的项目时的当机立断,遭遇阻碍时的永不退缩,以及漫长攻关中不急不躁的坚持和等候。刘大禾用近二十年的时间对此做了很好的诠释。
  直到今天,他依旧没有停止对布里渊散射的探索。对他来说,这些年最美好的记忆,就是每天钟爱的事业都陪在身边,这种为了梦想奋斗的日子,分分秒秒都是享受。只要有机会,他愿意在今后的科研生涯里继续付出十年、二十年、三十年……   

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