激光协会
首页 > 行业新闻

王之江:逐光前行,铸强国重器【“老科学家学术成长资料采集工程”系列报道】

发布时间:2020-05-21 来源:中国科学报

王之江(1930— )

光学家,中国应用光学学科奠基者、中国激光科学开创者,中国科学院院士。江苏常州人,1930年11月21日出生于杭州。幼年就读于常州恺乐小学(教会学校),1945年至1948年在江苏省立常州中学学习,1948年入学江南大学,1949年考入大连大学。1952年到中国科学院长春光学精密机械研究所从事光学设计工作,完成了大量国家急需的光学仪器的设计,创立了中国自己的光学设计理论体系,编撰了中国第一部光学设计专著《光学设计理论基础》。1958年至1959年开设了两期光学设计培训班,为中国培养了大批光学设计人才。1961年9月,领导研制了中国第一台红宝石激光器。1964年至1976年,在中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)领导开展了高能激光的相关探索,创造性地解决了一系列理论与技术难题。20世纪80年代后,在自由电子激光、成像光学、激光分离同位素、光刻机、半导体泵浦激光等领域取得了一系列创新成果。1984年至1992年任上海光机所所长。1988年被选为美国光学学会核心会员(中国首位获此殊荣的光学家),1991年被评为中国科学院院士,1991年当选为国际光学工程学会核心会员,1997年获何梁何利奖。


“老科学家学术成长资料采集工程”系列报道264


陈崇斌 汪志荣

为国所需,创建中国应用光学学科理论体系

王之江的第一份工作是光学设计。对于这份工作,王之江并不喜欢,他更喜欢做理论研究,他曾坦言:“这(光学设计)与理论物理相距甚远,很不符合自己的愿望。”但是,由于当时中国的应用光学还基本处于空白状态,不仅不能自主设计、制造光学仪器,进口的一些仪器坏了也不能维修,急需有人从事光学设计,于是他接受了这份自己并不喜欢的工作。“虽然有些勉强,但既然是国家所需要,总也企图将它做到最好”,本着这样的工作态度,他把光学设计做到了最好,为中国应用光学学科体系的建立作出了卓越贡献。

①王之江在20世纪80年代的工作照


当时王之江所在的中国科学院仪器馆(后更名为中国科学院长春光学精密机械研究所,以下简称长春光机所)是中国唯一的应用光学研究所,承接来自全国各地急需的光学设计任务。在那里,他一方面根据单位自身的需要,为仿制、自行制造仪器完成了大量光学设计任务;另一方面,他还解决了国内其他机构提出的光学设计问题,满足了新中国成立初期国家对光学设计的迫切需求。

对于王之江在光学设计实践方面的贡献,中国光学事业开拓者王大珩这样评价:“突出地表现了他对所学事物的敏感性、想象能力、创造能力和表达能力。在从事研究所自身需要的以及所外委托的各种光学设计中,迅速地形成以他为主导的团队,完成了多种类型的镜头设计,包括显微镜物镜、内调焦望远镜、照相机放映物镜、宽银幕放映物镜机摄影物镜、折反射系统以及连续变焦物镜等。不出十年,使(长春)光机所形成了一个我国的光学设计中心,掌握了光学设计的自由。”

更重要的是,王之江在实践基础上完成了光学设计的理论创新,为中国应用光学学科体系的建立奠定了理论基础。

②1995年,王之江和王大珩(右)合影。


王大珩留学英国时的教材(A.E.Conrady的Applied Optics and Optical Design)是王之江做光学设计的入门指导。王之江坦言“读懂这本书就可以做光学设计”,但他并不满足于能够去做,而是在思考有没有更好的方法。通过查阅文献,其间还和两位同事一起翻译了具有德国光学设计理念的苏联著作《光学仪器理论》,王之江全面把握了德国、英国两个学派的光学设计理论的优点与缺点,在此基础上创立了以高级像差分析为核心的新的光学设计理论体系,编撰出版了中国第一部光学设计著作《光学设计理论基础》。直到今天,该著作仍然是光学设计从业者不可缺少的重要参考。

1956年,王之江领导的光学设计组加入了一批新成员。为帮助这批新人尽快提升业务水平,王之江在长春光机所内部开设了光学设计培训班,将自己的理论与方法毫无保留地贡献出来,培养出了以薛鸣球院士为代表的一批光学设计人才,他们后来成为我国工程光学研究的骨干力量。1958年、1959年,面对国内高校、众多光学工厂的需求,他又连续两年举办光学设计培训班,培养了大批国家急需的光学设计人才。得益于这批人才的迅速成长,应用光学研究在中国遍地开花,中国应用光学的学科体系基本建立起来。

中国应用光学学科体系的建立,凝聚了几代光学家的卓越贡献,其中严济慈、王大珩、龚祖同等光学家完成了中国应用光学学科发展的奠基性工作,王之江则是站在这些前辈肩上的那块最坚实的“基石”。

义无反顾,为“150工程”打造“火眼金睛”

王之江做过的光学设计超过百种,其中有我国第一台连续变焦物镜的设计、高数值孔径折反射显微物镜、宽银幕柱形物镜设计,以及长春光机所闻名于世的“大跃进”运动成果——“八大件、一个汤”中高温金相显微镜、多倍投影仪的光学设计等。这其中,最重要的应该是“150工程”——大型光学电影跟踪经纬仪的物镜设计。

“150工程”是为配合我国中程导弹试验而开展的一项研制任务。20世纪60年代初,我国正在开展中程导弹试验,需要对导弹轨道进行跟踪并进行精密测量,其中导弹由控制系统控制飞行的主动段的运动轨迹是用光学仪器观测的,距离为150公里以上。这种观测设备事关尖端武器的发展,是西方国家严格“禁运”的仪器,只能依靠自己的力量来制造。

这台光学设备涉及光学、机械、电学等多个领域,装置总重量5吨以上,光学镜头直径达600多毫米。研究人员此前都没看见过这种装备,只有几张相似的照片可以参考,研制难度非常之大,加上此前长春光机所研制样机失败,所里很多研究人员对“150工程”的研制缺乏信心,也因此产生了“半杆子”还是“一杆子”工程模式的争论。最终,该项工程由王大珩拍板采用“一杆子”模式,唐九华做总体方案论证,朱云青做电器部分的方案论证,王之江做的是光学系统的方案论证。

实际上,王之江当时已退出光学设计工作,转行去做激光研究,但由于研制的样机光学成像质量不好,而“150工程”的成像要求更高,在那样的情境下,作为我国光学设计最权威的专家,他别无选择,只能义无反顾承担起这项艰巨的任务。

在光学系统的设计过程中,王之江首先确定了光学经纬仪的工作条件。因为观测距离超过150公里,仪器肯定会受到大气层流的影响,导致测量精度产生很大的偏差。经过广泛查阅文献,他了解到每天清晨和傍晚两个时间段的大气比较平稳,层流影响较小,就此确定了仪器的观测条件——清晨或傍晚,这就是火箭发射多在傍晚、宇宙飞船返回地球都在早晨的原因。

“150工程”的最终目标是能够捕捉到150公里外的导弹,其中最关键的就是观测物镜的设计。我们隔着玻璃窗看东西,物体都会变形,而“150工程”的光学系统有几十个光学器件,观测的是150公里之外的目标,若设计不科学,就不仅是目标变形的问题,而是什么都看不到。另外,为适应不同距离的观测需求,物镜还必须能够变焦。经过思考,王之江采用一个球面反射镜与两个透镜组的组合方案,实现物镜的变焦,而两个透镜组产生的二级光谱恰好相互抵消,这样既实现了物镜的变焦,又消除了二级光谱产生的像差。这是一个可以申请专利的设计。实践证明,设计方案非常成功,研制出的大型电影经纬仪,其性能超过了当时国外的同类设备,而且,观测距离远远超过150公里,一般天气条件下约为210公里,天气条件好时可达300公里以上。

“150工程”这种大型电影经纬仪为国服役20多年,精确测量了各式导弹的飞行轨道参数,满足了导弹试验的迫切需要,为我国国防建设作出了卓越贡献。该项成果获1978年全国科学大会成果奖,是1985年“现代国防试验中的动态光学观测及测量技术国家科技进步奖特等奖”的主要组成内容。其辉煌成就也凝聚了王之江的智慧,是他为这台设备设计出了最为敏锐的“眼睛”——光学系统。从这个意义上说,王之江也是我国导弹事业的元勋!

③1978年,王之江在第四次全国激光报告会上作“几个激光光学问题”的报告。


敢想敢做,领衔研制中国第一台激光器

1961年9月,中国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生。这台激光器的成功运转,仅比美国的第一台激光器晚一年多,但比苏联的第一台早两个月。中国激光研究能够在如此短的时间内赶上国际潮流,王之江创新的结构设计在其中发挥了关键作用。

激光研究实际上是邓锡铭、王之江等一批年轻科技人才自主开展、没有经费支持的“黑题目”,是利用业余时间完成的。这个“黑题目”开始于1958年的“大跃进”运动。在这期间,长春光机所因研制出了时称“八大件”的八种先进光学仪器而成为科技界的典型,实际上,第一台红宝石激光器也是“大跃进”运动的成果,因为研制激光器的原始思想是在“大跃进”运动中形成的。

当时,为推进“大跃进”运动,毛泽东提出要“破除迷信、解放思想、敢想敢说敢做”。为响应这个号召,时任长春光机所团支部书记的邓锡铭组织了一系列的读书报告会,集中讨论如何破除迷信、解放思想,做过去不敢想、不敢做的科学研究。1958年秋,王乃弘、王之江、顾去吾等一批年轻的科技人员,针对他们在应用光学研究中遇到的实际问题,比如红外探照灯的有效照明距离能否从800米提高到5000米等,展开了一系列探索,产生了一系列改革光源的创新物理思想。他们改革光源的物理思想与1958年美国物理学家萧洛和汤斯发表的《红外和光量子放大器》(光量子放大器即激光器)文中的物理思想产生了共鸣,激发了他们研制激光器的最初动机——在美国物理学家梅曼的第一台红宝石激光器研制成功之前,他们就已经开始了对激光器的研究。

1960年5月,梅曼第一台红宝石激光器成功运转,给中国科学家研制激光器注入了新的动力。当年年底,王之江提交了研制激光器的实验方案。


④中国第一台红宝石激光器


王之江设计的激光器实验方案有两处特征鲜明的结构创新。其一,脉冲氙灯设计成直管状。脉冲氙灯是激光器的泵浦源,由于当时国内尚无生产氙灯的厂家,激光器的研制只能从脉冲氙灯的设计工作做起。当时国外流行螺旋状氙灯,梅曼第一台红宝石激光器采用的就是螺旋状氙灯,王之江在设计氙灯时没有去盲目仿制,而是从应用光学的基本原理出发,认为螺旋状结构的效率低下,将氙灯设计成直管状。其二,激光器的照明系统采用球形成像方式。梅曼第一台红宝石激光器的照明方式采用的是椭圆漫射照明,其后这种照明方式在国外非常流行。王之江从光学的基本原理出发,认为成像照明系统的效率比漫射照明方式高。

实践证明,王之江设计的激光器效率更高,只需很小的能量就实现了激光输出,这也是中国第一台红宝石激光器运转成功的关键。当时长春光机所的技术支撑条件很差,制造氙灯所用的电容是仓库库存的旧电容,容量很小,只有2660微法,好在激光器效率高,输出的能量有0.003焦耳。若电容再小一点或者装置效率稍低,实验都很难成功。回顾这段历史,王之江感叹道:“这台红宝石激光器的成功有很大的运气成分。”

在激光器真正运转时,由于研究人员此前只看到过关于原理性的一两篇文章和几条新闻报道,并不知道当时的实验现象是否标志着激光正式产生。最后还是王之江根据实验现象判断,激光器确实已真正输出了激光,后来用示波器等仪器测量的结果验证了王之江的判断。

勇于担当,科学判断“640-3”工程

高能激光研究和高功率激光研究是中国科学院上海光学精密机械研究所在建所之初承担的两项主要任务,其中,高能激光是由王之江带领开展,高功率激光则由邓锡铭领导开展。这两项工作对中国激光科学的发展产生了非常深远的影响。

高能激光系统的研制任务,时称“640-3”工程,也叫100#任务,目标是利用激光进行导弹拦截。该工程自1964年启动,到1976年终止,前后历时13年。在这个过程中,研究人员通过提高输出能量、改善激光亮度等方式对激光的破坏机理进行了深入探索,解决了工作物质损伤、寄生振荡、弥散等一系列技术困难,并进行了激光打靶实验。依据取得的实验数据,研究人员认为当时的技术路线无法实现激光反导之目标,于1976年中止了这项工程。“640-3”工程虽然未能实现激光反导的最终目标,但通过工程的开展,中国激光科学在理论、实验及各种单元技术等诸多方面都取得了非常可贵的进展。

在高能激光的探索过程中,王之江在关键时刻的科学判断深刻影响了研究的进程,充分展示了他在光学理论方面的深厚造诣和敏锐的科学洞察力。1965年,在工程上马之初、在大家都在紧盯着如何提高激光输出能量的时候,王之江就清醒地认识到激光亮度的重要性,专门撰写报告,阐明亮度指标在高能激光探索中的重要性。不久,“文革”开始,他被迫中断这项工作,此后一段时间再没有人去关注激光亮度的问题。直到1970年,上海光机所研制的高能激光器的输出能量已达到极限,但打靶实验的结果并不理想,研究重点才被迫转向提高激光亮度的方向。其后,在王之江的带领下,研究团队大幅提高了激光的亮度,并在打靶实验中得到了比较理想的结果,证实了王之江最初关于亮度的论断是正确的。

“640-3”工程下马,也是王之江做出的决定。1976年,王之江根据已取得的实验结果判断,他们采取的技术路线不可能达到激光反导的目标,于是建议工程下马。当时,这项工程的总设计师钱学森以及国防科委的一部分人希望继续开展下去。但是,王之江认为,这项工程继续开展下去,一些技术指标肯定会得到提高,但激光反导的目标肯定不能实现;同时,这项工程花费太高,每年要花掉大约1亿人民币,继续下去不值得。他建议,在有限经费支持下继续开展高能激光的科学探索,在技术路线不够明朗的情况下,不搞大规模的工程建设。实践证明,“640-3”工程下马是非常明智的。2007年美国国防部公开的DSB报告表明,现阶段美国激光反导的技术手段也未发展成熟,与王之江在1976年的判断是一致的。

“640-3”工程下马,避免了人力、物力、财力的巨大浪费。不难看出,做出这样的决定,体现了王之江敢于担当的胆识和勇气。在当时的压力下,“对这一方案,谁敢说个不字?”王大珩曾在评价王之江时如是说。

“640-3”工程对我国激光科学的发展产生了极为深远的影响,考虑到“文革”这一特定的历史背景,其取得的进展及其影响显得尤为重要。

王之江的科学贡献,特别是在中国应用光学学科体系的建立、中国激光科学的开创方面,得到了国内外光学界的广泛认可。长春光机所陈星旦院士这样评价王之江:“在光学界,我不谈大珩先生、龚祖同先生,他们是老一辈的,就我们这一辈,王之江是光学理论方面最有学问、最有思想的,应该是第一,其他人谁也赶不上。”大连理工大学吴世法教授的评价是:“王之江在创新方面,应该说不比他的老前辈王大珩、龚祖同贡献低。他是我们国家光学设计的第一人,真正把光学设计的理论体系建立了起来,培养了很多搞光学设计的专家,在这方面应该说他是第一功劳,确实比老一辈的人贡献更大。”

王大珩也给予了王之江非常高的评价:“王之江在我的学生中是最著名的,也是在学术上贡献最大的一个。”他坦言,“老师不一定在所有的领域中都比自己的学生强,老师也不一定永远都比自己的学生强,当老师的应该善于向自己的学生学习”。

因杰出成就,王之江1988年被选为美国光学学会核心会员,1991年当选为国际光学工程学会核心会员,这凸显了他在国际光学界的影响。


作者单位分别为浙江师范大学生化学院、安徽师范大学物电学院

《中国科学报》 (2020-05-21 第8版 印刻)


返回顶部