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    行業新聞

    潛心激光器納米測量40年,冷門中做出系列“顛覆性”技術成果——訪清華大學教授張書練
    發布時間:2021-10-12瀏覽次數:464

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

        沒有測量就沒有科學技術,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域,是否能夠實現顛覆性技術突破和技術的持續躍遷,從而實現追隨、并行、趕超,讓“卡脖子”不再來?

         漸進式創新常有,顛覆性創新不常有,尤其是在歷經幾十年發展的激光測量技術領域。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”,清華大學教授張書練不介意是否進“冷門”坐“冷凳”,深挖激光現象不止,轉化激光現象為納米測量技術不停。從發現現象開始,到把現象推化為儀器原理,他取得了一系列顛覆性技術成果:發明了新型原理雙折射(-塞曼)雙頻激光器,開發出十多種世界獨一份的激光器納米測量儀器。目前,多種儀器已經實現應用,部分實現規模產業化,在光刻機、機床、航空航天等領域得到廣泛應用,帶動了納米測量,對科學技術做出了的重大貢獻。

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    張書練教授

         近日,儀器信息網有幸采訪到這位非常具有創新性且多產的科學家,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的研究和應用之路。

    路自創新開,果從問題來

         張書練生于農村,每每假期,他都下地干活,十分賣力。經歷過多次旱澇,也常見春天的鹽堿覆蓋農田,缺苗少棵。百姓靠天吃飯,??空葷?。鋤頭的力量實在有限,既解決不好溫飽更幫不了別人。他從高中課堂里,學到了蒸汽機、內燃機、電力、化肥,知道這才是“改天換地”的力量。

         20世紀60年代,清華大學在四川綿陽建立分校,張書練作為清華大學精儀系(原機械系)光學儀器專業學生,隨校遠赴綿陽,畢業后留校,被納入分校(現在的清華電子系)激光專業任教。70年代,國家恢復研究生招考,張書練考入清華大學精儀系光學儀器專業,并回到北京。碩士論文的研究內容是激光陀螺,畢業后又在精儀系任教。

         激光技術的基礎和精密儀器系的環境,使張書練走進了“激光”和“納米測量”學科交叉的方向,心底的追求使他邁向“不創新我何用,不應用我何為”的道路。

         《不創新我何用,不應用我何為——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月出版的學術書,總結了自己近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:失敗和質疑是開辟創新之路的動力。

         在中國儀器界,過去長期大幅度落后于西方先進國家,這給了我國一個模仿、學習、跟進的快速成長機會。但現在或不遠的未來,如何在無人引領的前沿儀器領域保持創新?張書練教授認為,“科學家應該見問題而喜,我們就是為解決問題才當教授的。有失敗和質疑,就有需要解決的問題,才會有連續不斷的成果并產生各種應用?!?/p>

         例如,張書練教授在研究環形激光器測量弱磁場和測量位移受阻,產生了雙折射-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”,被專利審查員質疑,因為形似一樣實為不同,抗辯中接觸了激光回饋,把他創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”。

    堅韌不拔,金石可鏤

        談及對創新的執著,張書練教授說“堅韌不拔,金石可鏤,才能攀上創新高峰,落實到應用”。他研究的雙折射雙頻激光器,歷經30余年才實現批量應用,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,一直是機械制造、IT(光刻機)等行業不可替代的納米測量儀器。而由于原理限制,這種傳統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,成為提高測量導軌、光刻機、機臺等設備測速的障礙。第二,需要加大頻率差時,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,測量路數受到瓶頸性限制。此外,塞曼雙頻激光器輸出的偏振旋轉的光束,需要經轉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!

         張書練教授自1985年起開始了尋找產生大頻率差方法,也即偏振正交激光器的研究。通過梳理、探究激光器的原理、特性和頻率穩定技術,從普通的晶體雙折射現象中,他找到了解決問題的契機?;诖?,通過在激光器內置晶體石英片,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,即可實現頻率差的大范圍改變,一個全新的雙頻激光器產生了——雙折射雙頻激光器,其可輸出40MHz到數百MHz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到數百MHz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)做好了準備。

         利用雙折射產生雙頻是把石英晶體片安放于激光器內,張書練證明雙折射雙頻激光器的可行性。進一步,找到了消除兩個頻率相互競爭的“死區”,解放出0~40兆赫茲頻率差的方法,這其中有復雜的物理問題,又有復雜的技術問題。再進一步,就是找到能實用、最優的雙折射雙頻激光器的結構,包括實現全內腔,真空封接方式,消除環境溫度變化影響等。為此,十幾位研究生(博士,碩士)和工程師長期持續攻關,難以計數的實驗,否定之否定,最終發明了內應力激光腔鏡,即把雙折射做在激光器反射鏡內。這一激光器稱之為雙折射-塞曼雙頻激光器。這一顛覆性的激光器技術站在了世界雙頻激光的最前列。

         最后的勝利要體現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,并在應用中糾錯改進,被應用認可,推廣開,才算成功。從原理設計、實驗驗證裝置、工程樣機到儀器產品的跨越,可謂“古來征戰幾人回”。

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

         “從提出原理,到實驗驗證,再到產品化,并應用到雙頻激光干涉儀中。一開始儀器不穩定,我們就不停做調整,做工藝改造。在這個過程中,十幾年就過去了?!睆垥毥淌谡f到。

         如今,張書練教授發明的以雙折射雙頻激光器為核心的激光干涉儀已成功實現批量商用。該儀器可廣泛應用于科學研究、光刻機、數控機床、航空航天、艦船等行業;其核心部件——雙頻激光器,基于雙折射產生激光雙頻的原理,比國內外傳統的塞曼雙頻激光器的激光功率高四倍、頻率差大一倍或兩三倍、最近達到13倍(40MHz),且沒有兩個頻率之間耦合串混,分辨率達到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。這些技術指標,滿足了機床檢定、高端光刻機工件臺定位等應用的要求。據透露,華為等經過廣泛調研,選定了張書練教授的雙頻激光干涉儀,此外,相關機構也選定了張書練教授的雙頻激光器。

        獨辟蹊徑,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,張書練教授認為,“被世界公認為那種‘紅的’、‘紫的’領域,最有創新的工作往往已經完成了,再跟過去,雖然也能發表文章,也能突破,但僅僅是在人家設計好的大筐子里做?!?/p>

         “冷門”研究,說起來容易,做起來難。因為探索的是新原理的儀器,研究的是幾乎空白的領域,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。在激光器的研究過程中,他深入揭示了其物理現象(獲教育部自然科學一等獎兩項),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,并從新發現的這些現象中思考,獨辟蹊徑,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,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,看到一個頻率光強度增加伴隨另一個頻率的光強度減小,直至一個到最大時另一個被熄滅,周而復始。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明的氦氖激光器納米測尺等儀器,獲得了國家發明二等獎(2007年)。

         激光的兩個偏振正交的頻率是因在激光器內放入了晶體石英或應力元件產生的,反過來,測出激光器的頻率差就知道了激光器內的元件有多大內應力,多大內部雙折射,這就發明了世界最高精度的光學波片和雙折射的測量儀器,比傳統儀器高一個量級。特別是測量方法可溯源到自然基準——光的波長。其至今成為唯一的國家標準的測量方法,也是世界上第一個波片相位延遲標準??蛻衾眠@種儀器對加工過程中激光陀螺的元件進行內應力檢測,找到了殘余應力的成因,顯著提高了精度。上海光機所用標準儀器校準了用于核聚變研究的激光玻璃內應力測量的儀器。這款儀器使他再次獲國家發明二等獎(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原理出發,以解決問題為導向,一個又一個的創新思維,指導開發出這些世界獨一份的納米儀器,應用并產業化,從而創建了“偏振正交激光器納米測量”學術體系。

    儀儀相連,都是“中國創”

        張書練教授帶領團隊展開的研究工作,像葡萄樹一樣,一直向上開花結果。行進中,來了一個又一個“中國創”的機會,橫向看去,儀儀相連成片,都是顛覆性的技術。

         激光回饋本來是激光系統中“絕對的害群之馬”,張書練教授之前看過相關的文獻,卻沒有想到要去研究它。因“位移自傳感器氦氖激光器系統及其實現方法”專利在申請的時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,張書練教授便仔細閱讀了審查員提供的對比文件,發現兩個專利在結構上非常雷同,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,一個是激光器振蕩的必需元件,即前者是激光振蕩系統,后者是激光回饋系統。

         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,要親自看清了激光回饋的行為,思考激光回饋技術走向何方。自然想起偏振正交激光器技術,他用偏振正交激光器改造了激光回饋,于是,觀察到若干新的現象,形成了偏振正交激光器回饋納米測量系列技術和儀器,把激光回饋技術推上了一個新的高度,也使偏振正交激光器“再添雙翅”。

         或走入他的實驗室參觀,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》、《不創新我何用,不應用我何為——你所沒有見過的激光納米測量儀器》)和近400篇論文,可看到,張書練教授及其團隊研制出的激光回饋光學相位延遲/內應力在線測量儀、激光回饋納米條紋干涉儀、微片激光(Nd:YAG和Nd:YVO4)共路(和準共路)移頻回饋干涉儀、激光回饋遠程振動和聲音測量儀、激光回饋材料熱膨脹系數測量儀、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、微片固體激光回饋表面測量技術等十余種國內外獨有的納米測量儀器,儀儀相連,構建出了一個“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”,構建成了一個完整的“偏振正交激光器及納米測量”體系?!捌渲?,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?!睆垥毥淌谡f他和團隊的成果鮮明特征是,“激光器就是儀器,儀器就是激光器自身?!?/p>

    坐實創造,不讓論文變“云煙”

        在實驗室里,一個博士生來了,做完實驗,畢業后離開,然后再來一個博士生,這是一種很正常的安排,卻往往使經驗和教訓難于傳承,因為論文里面記錄的一般都是好的結果,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個工程師來實驗室工作,由他們和學生一起完成實驗。也正是這些工程師的工作,幫助張書練教授及其團隊傳承了一個個技術和儀器。

         張書練教授很注重團隊研究課題的取舍,發現論文漂亮,實際上不能應用的,或更改方案,或暫時放下;發現論文漂亮,實際應用可能性大的,就持續研究,做實驗樣機。一直找機會儀器化,把首創的技術和儀器推向應用。

         除了雙折射雙頻激光干涉儀外,國內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實現產業化,在美國圣路易斯華盛頓大學、合肥工業大學(三臺已應用10年)、上海理工大學、北京理工大學等處被應用,且使用情況良好。該儀器能夠無接觸地測量微、輕、薄、黑、燒紅等目標的移動量,以及水、酒精等液面的位移和高度變化,完全不需要在被測物上加附件配合,可用于監測航天相機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,顛覆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。雖然已經有幾款儀器實現了產業化,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,由企業來推動儀器化、產業化?!睆垥毥淌谡f到。

         據悉,北京鐳測科技有限公司正努力把儀器產業化,尤其是雙頻激光干涉儀已經被幾個半導體企業采購,擔當起半導體全產業鏈一個重要環節國產化替代的歷史重任。此外,華為、德國Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等國內外企業也在為張書練教授團隊儀器的產業化和推廣而努力。

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

    個人簡介

        張書練,清華大學本科,碩士,教授,博士生導師。激光和精密測量專家,偏振正交激光器納米測量技術的國內創建人和國際主要創建人。作為第一完成人,獲國家技術發明二等獎兩項,教育部自然科學一等獎兩項,電子學會發明一等獎一項等十余次獎項。他在ISMTII-2017國際學術會議上被授終身貢獻獎。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,計測技術“教授論精密測量”一期,發表論文360余篇,發明專利權80余項。發明的雙折射-雙頻激光器及干涉儀等納米測量儀器已經批產。





     

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