刘大禾：追逐光的脚步

2012年09月26日科技日报

刘大禾，博士，北京师范大学和南昌航空大学教授，南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室主任。美国光学学会（OSA）会员、国际光学工程学会（SPIE）会员、中国光学学会全息与信息处理专业委员会副主任。先后主持国家863计划项目、国家自然科学基金项目、国防基础科研重大项目、国防重点课题、教育部重点科研项目等省部级以上项目近20项，2012年4月，当选为中国光学学会理事。

科研是什么？

对于每位科研工作者来说，都有着不同的内涵。在北京师范大学物理学系教授刘大禾心目中，科研不是追逐“时髦”的脚步，而是做出特色，树立标杆，有时，甚至要反其道而行之。他说，“做科研的最高境界就是让自己的研究成为‘时髦’。”

这是他一直以来努力追寻的目标。

布里渊散射：十年磨一剑

刘大禾最早接触布里渊散射，据说是因为1994年的一次偶然的帮忙，令原本做“光学全息”的他受到美国Texas A&M大学邀请，逐渐加入到Fry教授研究组布里渊散射的研究中。

1996年初，为了项目中某个元件的研制，刘大禾专门回国攻关。其间，他得知海洋科学被列为国家863计划中一个单独的领域，便动起心来，“当时我国的激光雷达研究多为针对大气，海洋方向很少有人涉足。而布里渊散射的光谱特性与多个海洋参数有着直接联系，可以借此发展一种新型的激光雷达，实现对水面和水下的有效探测。”为此，他专门找到中国科学院和国家海洋局有关单位，向相关专家介绍了自己在海洋实时监测方面的工作，通过反复介绍，多次答辩，他的项目最终得到“863”专家组的认可。

1998年6月，刘大禾回国。同年8月，他的海洋实时监测项目正式立项，并连续获得863计划在“九五”、“十五”和“十一五”期间的支持。自此，无论是受到任何困扰，哪怕是经历非典阻隔，他始终坚持自己的目标，努力实现“布里渊散射激光雷达在国内实现海洋实时监测”。

刘大禾认为，当时所有的光探测在水下都存在一个问题，就是光在水下的衰减很厉害，至使探测距离受到很大的影响，而这种规律对受激布里渊散射则有更大的影响。但受激布里渊散射又有其突出的优势。如何克服受激布里渊散射的缺点，而同时发挥其长处是刘大禾考虑的重要问题。经过深入思考和反复试验，他在国内外首次将受激布里渊散射应用到激光雷达中，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记录的理论和实验证明。他找到了受激布里渊散射光强与线性衰减之间的关系，进而首次提出了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，以及这种方法适用的稳定工作范围。随后，他又利用受激布里渊散射信号克被放大的特点，设计并研制出可实际应用的具有放大功能的布里渊散射激光雷达系统样机，使信号在回传给出中得到放大。通过设计聚焦系统，在保持受激布里渊散射优点的情况下，克服了其缺点，大幅度提高了激光雷达的性能。经过检验，这种新型的激光雷达具有很好的应用前景，不仅能够用于实时监测海水声速、体粘滞系数、温度、盐度等海洋参数，其独具的反隐身特性，还为探测那些用目前常规方法无法探测的目标提供了新的探测手段。刘大禾的新目标就是将受激布里渊散射的“放大”作用发挥得淋漓尽致，任何隐身技术在他们的方法面前都无可遁形。最近，刘大禾课题组又在用布里渊散射方法研究海洋温跃层特性的工作中取得了重要进展。温跃层式一种重要的海洋现象，对海洋科学和国防建设都具有重要意义。刘大禾课题组通过测量不同条件下水中的布里渊散射光谱研究了温跃层形成特点、内部结构，得到了一些很有价值的结果。

刘大禾课题组的工作，受到了有关部门的重视。经过多位院士推荐，并受中国科学院院士工作局的邀请，刘大禾本人曾在2009年的中国光学科学与技术前沿论坛大会上就相关创新点作了特邀报告。2010年11月，刘大禾又应邀在中国第一届激光雷达学术会议上作了大会特邀报告。而2007年12月20日和2010年5月13日，他的研究成果也两次通过了教育部主持的成果鉴定。鉴定委员会由包括多位院士的专家组成，鉴定意见均为达到“国际领先水平，具有巨大的发展潜力。”

光子晶体：简单中的“大道”

光子晶体第一次在国际物理学界亮相，还是在1987年。此后，其一直备受瞩目，多次被列为国际十大前沿研究之一。1997年，刘大禾看到一篇由法国科学家撰写的文章，提出利用光学全息来研究光子晶体的观点。这令他眼前一亮，早年研究光学全息的经历使他对以此研究光子晶体产生了浓厚的兴趣。

回国后，在研究布里渊散射激光雷达的同时，他也开始着手对光子晶体进行摸索。其间，他发现光子晶体研究最大的魅力所在就是禁带特性及其对光子的控制作用，而对光的控制作用最好的则是全空间禁带材料。就之前的研究来看，国际学术界认为只有高折射率的材料才能实现全空间禁带。这种研究已经在微波和红外波段得以实现，但技术极为复杂，成本又高，且无法用于可见光范围。“也就是说，只有国际上少数几个顶尖的实验室能够开展这方面的工作。”刘大禾说，“以具有全空间禁带的金刚石结构为例，学术界认为要实现这种结构，所用材料的折射率调制度必须大于2。我们通常所用的材料测量折射率都不很高，禁带不够宽，而且随着角度的改变，只会越来越窄。”

较真儿的刘大禾不信这个“邪”，一门儿心思想要用低折射率材料做出可见光范围内的全空间禁带，并有效控制其成本。几经周折，他提出了多个金刚石套构的复合结构的想法，通过增加结构的宏观旋转对称性来增加禁带宽度。“当光从各个方向入射时，都接近其中一个金刚石结构的某个高对称方向。这样，即使禁带不太宽，也有望获得全空间禁带。”在这个思路的引导下，他利用全息技术进行了探索，所制作的三个金刚石结构的套构，在全空间83%的范围内得到了公共禁带。然而，这究竟不是他想要的100%范围。随后，他和课题组设计出一个“将直角坐标系中的一维异质结结构变换为球坐标系统中的自相似球层结构”的思路。这种结构可实现全空间禁带，但问题在入射光必须是细窄光束，且光束必须经过球心的条件下，否则全空间禁带将消失。为了放宽乃至取消这种限制，他们又选定了以三角形二维异质结结构为基准转换至球形坐标系统的设想，该结构中的微观对称性被破坏、宏观旋转对称性被增加。在一个半径为12.5mm的球层结构中，一束窄光束从球心开始向外平移，当平移半径到12.3mm时，公共禁带仍然存在。这意味着，他们用低折射率材料在450—550nm的可见光范围内实现了真正意义上的全空间禁带。

2008年9月4日，英国Nature系列出版物NPG-Asia Materials 对此进行了专门报道，指出他们为学术界带来了“一种简单的方法来产生可见光波段的全空间禁带”。美国Applied Physics Letters（《应用物理快报》）审稿人也评价道：“原来，全空间禁带只能在全世界极少数实验室中实现的。利用作者提出的方法，任何一个普通的实验室都能做到，而且是使用低折射率材料。”

为人师表：“好学生不是教出来的”

无论是在布里渊散射激光雷达，还是在光子晶体领域，刘大禾都是一个出色的人物。他曾说自己最大的优点是有自知之明，“在科研上，我知道自己能做什么，不能做什么。对于不能做的，我会去想能不能找人与我合作，如果连合作的人都找不到，那不管这个研究有多热门，我都不会再去想。”在他看来，赶时髦只能跟在时髦的后面走，而物理学的最高境界应该是将自己的研究做成时髦。学术界对他的两项研究，尤其是光子晶体研究的看法似乎也为此做出了印证。

与此同时，这种思想开放，“有所为有所不为”的精神也深深影响着他在学生教育和人才培养上的做法。

 “好学生不是教出来的，大师也一定不是培养出来的。”刘大禾说，“好的学生，甚至大师，一定是在困难的研究中锻炼和造就的。课题是全新的，从这一点来说，导师和学生是站在同一个起跑线上，整个研究过程是一个师生互相学习、互相促进的过程。可以说，我能够在科研上做出一点儿成绩，首先要感谢我的研究生。”刘大禾说：“我培养学生的最大愿望就是学生在学术上超过我，超过我的人越多，我的成绩也越大。如果没有人超过我，那是我最大的失败。”

量子力学创始人波尔在前苏联访问时曾说，他的团队最大的特点就是任何人都能反驳他。这样一句话曾令前苏联的翻译者无所适从，以为听错了，因为前苏联著名物理学家朗道的原则是谁都不能反驳他。这段趣事令刘大禾很有感慨，“这两位都是大师，但从后世来看，波尔所引领的哥本哈根学派显然比朗道学派更具影响力。因此，一个开放的、平等的科研环境是非常重要的。

他鼓励学生有自己的想法，坚持将学生放在科研中锻炼，为他们指点方向，而非教他们每一个步骤应该怎样去做。他认为一个平等、开放的环境更能激发学生的创新火花，令他们挖掘自己的潜力。而学生们，也与他相处愉快。曾有人问他与学生相处的秘诀，他很自然地回答要对学生真心相待。他的真心相待就是与学生“玩儿”到一起。在他作学生辅导员的时候，甚至还在熄灯后去学生宿舍与学生下棋。他还多次开车带他的研究生四处“跑”，亲自介绍，帮他们找工作……

尽管已经年过六旬，因为长年与年轻人相处，刘大禾依然有一颗年轻的心，他开朗乐观、积极进取，思想活跃，兴趣广泛，对未来充满着希望和信心，而对“特色”科研的追求，也将在他的心中延续下去。