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行業(yè)新聞

潛心激光器納米測量40年,冷門(mén)中做出系列“顛覆性”技術(shù)成果——訪(fǎng)清華大學(xué)教授張書(shū)練
發(fā)布時(shí)間:2021-10-12瀏覽次數:1096

來(lái)源:儀器信息網(wǎng)     鏈接: https://www.instrument.com.cn/news/20211011/593800.shtml

    沒(méi)有測量就沒(méi)有科學(xué)技術(shù),沒(méi)有超精密測量?jì)x器,就不會(huì )有高端裝備制造。然而多年來(lái),中國制造業(yè)升級幾乎是由國外超精密測量?jì)x器來(lái)支撐,這是我國高端制造的短板之一。中國在超精密測量?jì)x器領(lǐng)域,是否能夠實(shí)現顛覆性技術(shù)突破和技術(shù)的持續躍遷,從而實(shí)現追隨、并行、趕超,讓“卡脖子”不再來(lái)?

     漸進(jìn)式創(chuàng )新常有,顛覆性創(chuàng )新不常有,尤其是在歷經(jīng)幾十年發(fā)展的激光測量技術(shù)領(lǐng)域。為了追求“變不能為能,使激光測量?jì)x器具有更高精度、更小體積、更方便使用、更低造價(jià)”,清華大學(xué)教授張書(shū)練不介意是否進(jìn)“冷門(mén)”坐“冷凳”,深挖激光現象不止,轉化激光現象為納米測量技術(shù)不停。從發(fā)現現象開(kāi)始,到把現象推化為儀器原理,他取得了一系列顛覆性技術(shù)成果:發(fā)明了新型原理雙折射(-塞曼)雙頻激光器,開(kāi)發(fā)出十多種激光納米測量?jì)x器。目前,多種儀器已經(jīng)實(shí)現應用,部分實(shí)現規模產(chǎn)業(yè)化,在光刻機、機床、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應用,帶動(dòng)了納米測量,對科學(xué)技術(shù)做出了的重大貢獻。

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張書(shū)練教授

     近日,儀器信息網(wǎng)有幸采訪(fǎng)到這位非常具有創(chuàng )新性且多產(chǎn)的科學(xué)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(shù)的研究和應用之路。

路自創(chuàng )新開(kāi),果從問(wèn)題來(lái)

     張書(shū)練生于農村,每每假期,他都下地干活,十分賣(mài)力。經(jīng)歷過(guò)多次旱澇,也常見(jiàn)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(shí)在有限,既解決不好溫飽更幫不了別人。他從高中課堂里,學(xué)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(xué)在四川綿陽(yáng)建立分校,張書(shū)練作為清華大學(xué)精儀系(原機械系)光學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)生,隨校遠赴綿陽(yáng),畢業(yè)后留校,被納入分校(現在的清華電子系)激光專(zhuān)業(yè)任教。70年代,國家恢復研究生招考,張書(shū)練考入清華大學(xué)精儀系光學(xué)儀器專(zhuān)業(yè),并回到北京。碩士論文的研究?jì)热菔羌す馔勇?,畢業(yè)后又在精儀系任教。

     激光技術(shù)的基礎和精密儀器系的環(huán)境,使張書(shū)練走進(jìn)了“激光”和“納米測量”學(xué)科交叉的方向,心底的追求使他邁向“不創(chuàng )新我何用,不應用我何為”的道路。

     《不創(chuàng )新我何用,不應用我何為——你所沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的激光精密測量?jì)x器》是張書(shū)練教授于2021年3月出版的學(xué)術(shù)書(shū),總結了自己近40年有新意和有重要性的成果。在寫(xiě)作過(guò)程中,他從回顧中感悟到:失敗和質(zhì)疑是開(kāi)辟創(chuàng )新之路的動(dòng)力。

     在中國儀器界,過(guò)去長(cháng)期大幅度落后于西方先進(jìn)國家,這給了我國一個(gè)模仿、學(xué)習、跟進(jìn)的快速成長(cháng)機會(huì )。但現在或不遠的未來(lái),如何在無(wú)人引領(lǐng)的前沿儀器領(lǐng)域保持創(chuàng )新?張書(shū)練教授認為,“科學(xué)家應該見(jiàn)問(wèn)題而喜,我們就是為解決問(wèn)題才當教授的。有失敗和質(zhì)疑,就有需要解決的問(wèn)題,才會(huì )有連續不斷的成果并產(chǎn)生各種應用?!?/p>

     例如,張書(shū)練教授在研究環(huán)形激光器測量弱磁場(chǎng)和測量位移受阻,產(chǎn)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(zhuān)利審查員質(zhì)疑,因為形似一樣實(shí)為不同,抗辯中接觸了激光回饋,把他創(chuàng )新的正交偏振激光器引入激光回饋又開(kāi)辟了一個(gè)新的方向,如今已是“枝繁葉茂”。

堅韌不拔,金石可鏤

    談及對創(chuàng )新的執著(zhù),張書(shū)練教授說(shuō)“堅韌不拔,金石可鏤,才能攀上創(chuàng )新高峰,落實(shí)到應用”。他研究的雙折射雙頻激光器,歷經(jīng)30余年才實(shí)現批量應用,是張書(shū)練教授攀上高峰的范例之一。

     近50年來(lái),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(yè)重要的納米測量?jì)x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(gè)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(guò)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(shí),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(jīng)轉化才成為偏振與光傳播方向垂直的光(線(xiàn)偏振),這給干涉儀帶來(lái)幾納米,甚至10納米的非線(xiàn)性誤差。

     中國計量院的測試表明,非線(xiàn)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(lèi)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(fā)!

     張書(shū)練教授自1985年起開(kāi)始了尋找產(chǎn)生大頻率差方法,也即偏振正交激光器的研究。通過(guò)梳理、探究激光器的原理、特性和頻率穩定技術(shù),從普通的晶體雙折射現象中,他找到了解決問(wèn)題的契機?;诖?,通過(guò)在激光器內置晶體石英片,使激光頻率分裂,一個(gè)頻率分成兩個(gè)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(shí)現頻率差的大范圍改變,一個(gè)全新的雙頻激光器產(chǎn)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(chǎng),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(xiàn)性誤差,提高測速,增加測量路數)做好了準備。

     利用雙折射產(chǎn)生雙頻是把石英晶體片安放于激光器內,張書(shū)練證明雙折射雙頻激光器的可行性。進(jìn)一步,找到了消除兩個(gè)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(wèn)題,又有復雜的技術(shù)問(wèn)題。再進(jìn)一步,就是找到能實(shí)用、最優(yōu)的雙折射雙頻激光器的結構,包括實(shí)現全內腔,真空封接方式,消除環(huán)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(cháng)期持續攻關(guān),難以計數的實(shí)驗,否定之否定,最終發(fā)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(chēng)之為雙折射-塞曼雙頻激光器。這一激光器技術(shù)站在了世界雙頻激光的前列。

     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(lái),并在應用中糾錯改進(jìn),被應用認可,推廣開(kāi),才算成功。從原理設計、實(shí)驗驗證裝置、工程樣機到儀器產(chǎn)品的跨越,可謂“古來(lái)征戰幾人回”。

     “熬人!”張書(shū)練教授用兩個(gè)字表達了自己的體會(huì ),但他的臉上卻洋溢著(zhù)自豪。

     “從提出原理,到實(shí)驗驗證,再到產(chǎn)品化,并應用到雙頻激光干涉儀中。一開(kāi)始儀器不穩定,我們就不停做調整,做工藝改造。在這個(gè)過(guò)程中,十幾年就過(guò)去了?!睆垥?shū)練教授說(shuō)到。

     如今,張書(shū)練教授發(fā)明的以雙折射雙頻激光器為核心的激光干涉儀已成功實(shí)現批量商用。該儀器可廣泛應用于科學(xué)研究、光刻機、數控機床、航空航天、艦船等行業(yè);其核心部件——雙頻激光器,基于雙折射產(chǎn)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平均高四倍、頻率差大一倍或兩三倍、最近達到13倍(40MHz),且沒(méi)有兩個(gè)頻率之間耦合串混,分辨率達到1納米,線(xiàn)性測量長(cháng)度范圍0到70米,非線(xiàn)性誤差小于1納米,測量速度超過(guò)2米/秒。這些技術(shù)指標,滿(mǎn)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(jīng)過(guò)廣泛調研,選定了張書(shū)練教授的雙頻激光干涉儀,此外,相關(guān)機構也選定了張書(shū)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(mén)”里出來(lái)的,張書(shū)練教授認為,“被世界公認為那種‘紅的’、‘紫的’領(lǐng)域,最有創(chuàng )新的工作往往已經(jīng)完成了,再跟過(guò)去,雖然也能發(fā)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(mén)”研究,說(shuō)起來(lái)容易,做起來(lái)難。因為探索的是新原理的儀器,研究的是幾乎空白的領(lǐng)域,張書(shū)練教授在工作展開(kāi)過(guò)程中不可避免地遇到了太多的問(wèn)題,他卻對此保持了一個(gè)非常樂(lè )觀(guān)的心態(tài)。在激光器的研究過(guò)程中,他深入揭示了其物理現象(獲教育部自然科學(xué)一等獎兩項),如以往不能觀(guān)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(fā)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(shí),張書(shū)練教授研究了雙折射雙頻激光器的兩個(gè)頻率之間的耦合,也就是它們相互爭奪(競爭)能量的過(guò)程,看到一個(gè)頻率光強度增加伴隨另一個(gè)頻率的光強度減小,直至一個(gè)到最大時(shí)另一個(gè)被熄滅,周而復始。一個(gè)全過(guò)程正好是激光諧振長(cháng)度變化半個(gè)光波長(cháng)(316納米),電路處理后,一個(gè)上升沿、下降沿是78納米。這就是張書(shū)練教授發(fā)明的氦氖激光器納米測尺等儀器,獲得了國家發(fā)明二等獎(2007年)。

     激光的兩個(gè)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(chǎn)生的,反過(guò)來(lái),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(fā)明了世界最高精度的光學(xué)波片和雙折射的測量?jì)x器,比傳統儀器高一個(gè)量級。特別是測量方法可溯源到自然基準——光的波長(cháng)。其至今成為**的國家標準的測量方法,也是世界上***波片相位延遲標準??蛻?hù)利用這種儀器對加工過(guò)程中激光陀螺的元件進(jìn)行內應力檢測,找到了殘余應力的成因,顯著(zhù)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(fā)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(shū)練教授指導博士生開(kāi)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(shū)練教授從最基本的激光原理和光學(xué)原理出發(fā),以解決問(wèn)題為導向,一個(gè)又一個(gè)的創(chuàng )新思維,指導開(kāi)發(fā)出這些世界獨一份的納米儀器,應用并產(chǎn)業(yè)化,從而創(chuàng )建了“偏振正交激光器納米測量”學(xué)術(shù)體系。

儀儀相連,都是“中國創(chuàng )”

    張書(shū)練教授帶領(lǐng)團隊展開(kāi)的研究工作,像葡萄樹(shù)一樣,一直向上開(kāi)花結果。行進(jìn)中,來(lái)了一個(gè)又一個(gè)“中國創(chuàng )”的機會(huì ),橫向看去,儀儀相連成片,都是顛覆性的技術(shù)。

     激光回饋本來(lái)是激光系統中“絕對的害群之馬”,張書(shū)練教授之前看過(guò)相關(guān)的文獻,卻沒(méi)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(shí)現方法”專(zhuān)利在申請的時(shí)候被專(zhuān)利審查員駁回,說(shuō)其與美國伯克利分校的一個(gè)專(zhuān)利相同,張書(shū)練教授便仔細閱讀了審查員提供的對比文件,發(fā)現兩個(gè)專(zhuān)利在結構上非常雷同,核心元件一樣多,擺放順序一個(gè)樣,卻因一個(gè)鏡片的差別,使其原理完全不同,屬于兩個(gè)分支。

     張書(shū)練教授的專(zhuān)利,在鏡片兩面都鍍上了激光消反射膜,光線(xiàn)沒(méi)有反射地通過(guò),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(xiàn),所以被稱(chēng)為窗口片;而伯克利的這個(gè)鏡片是個(gè)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(shuō),一個(gè)與激光振蕩無(wú)關(guān),一個(gè)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(shū)練教授想到,如果自己的偏振正交激光原理引入回饋,又會(huì )是什么行為呢?試一試!

     張書(shū)練教授先安排一個(gè)研究生研究激光回饋技術(shù),要親自看清了激光回饋的行為,思考激光回饋技術(shù)走向何方。自然想起偏振正交激光器技術(shù),他用偏振正交激光器改造了激光回饋,于是,觀(guān)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(shù)和儀器,把激光回饋技術(shù)推上了一個(gè)新的高度,也使偏振正交激光器“再添雙翅”。

     或走入他的實(shí)驗室參觀(guān),或閱讀他的四部專(zhuān)著(zhù)(《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不創(chuàng )新我何用,不應用我何為——你所沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的激光納米測量?jì)x器》)和近400篇論文,可看到,張書(shū)練教授及其團隊研制出的激光回饋光學(xué)相位延遲/內應力在線(xiàn)測量?jì)x、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(dòng)和聲音測量?jì)x、激光回饋材料熱膨脹系數測量?jì)x、微片固體激光萬(wàn)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(shù)、微片固體激光回饋表面測量技術(shù)等十余種國內外**的納米測量?jì)x器,儀儀相連,構建出了一個(gè)“正交偏振激光器回饋納米測量?jì)x器”體系。

     “步步生花”的“偏振正交激光器納米測量?jì)x器”和“儀儀相連”的“偏振正交激光器回饋納米測量?jì)x器”,構建成了一個(gè)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(jiàn)并解決了他人沒(méi)有想到的問(wèn)題,儀器的‘臺階’也就上來(lái)了?!睆垥?shū)練教授說(shuō)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(shí)創(chuàng )造,不讓論文變“云煙”

    在實(shí)驗室里,一個(gè)博士生來(lái)了,做完實(shí)驗,畢業(yè)后離開(kāi),然后再來(lái)一個(gè)博士生,這是一種很正常的安排,卻往往使經(jīng)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(xiě)入失敗和糾正錯誤的過(guò)程,傳承不全面。張書(shū)練教授很早就注意到了這個(gè)問(wèn)題,因此邀請了4個(gè)工程師來(lái)實(shí)驗室工作,由他們和學(xué)生一起完成實(shí)驗。也正是這些工程師的工作,幫助張書(shū)練教授及其團隊傳承了一個(gè)個(gè)技術(shù)和儀器。

     張書(shū)練教授很注重團隊研究課題的取舍,發(fā)現論文漂亮,實(shí)際上不能應用的,或更改方案,或暫時(shí)放下;發(fā)現論文漂亮,實(shí)際應用可能性大的,就持續研究,做實(shí)驗樣機。一直找機會(huì )儀器化,把**的技術(shù)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(jīng)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,在美國圣路易斯華盛頓大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)(三臺已應用10年)、上海理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等處被應用,且使用情況良好。該儀器能夠無(wú)接觸地測量微、輕、薄、黑、燒紅等目標的移動(dòng)量,以及水、酒精等液面的位移和高度變化,**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(chē)刀,光束直接射向車(chē)刀,改變了以往光束射向車(chē)刀支撐臂的方式,將測量誤差減小到1/4。

     “這些儀器,我想無(wú)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(qián),要回饋給社會(huì ),這是我目前所想的事兒。雖然已經(jīng)有幾款儀器實(shí)現了產(chǎn)業(yè)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(lái),由企業(yè)來(lái)推動(dòng)儀器化、產(chǎn)業(yè)化?!睆垥?shū)練教授說(shuō)到。

     據悉,北京鐳測科技有限公司正努力把儀器產(chǎn)業(yè)化,尤其是雙頻激光干涉儀已經(jīng)被幾個(gè)半導體企業(yè)采購,擔當起半導體全產(chǎn)業(yè)鏈一個(gè)重要環(huán)節國產(chǎn)化替代的歷史重任。此外,華為、德國B(niǎo)lankenhorn和福建福晶科技有限公司等國內外企業(yè)也在為張書(shū)練教授團隊儀器的產(chǎn)業(yè)化和推廣而努力。

     凡是新原理的東西,想要真正被社會(huì )所認可,盡管再好用,再有潛力,都是要花時(shí)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(chuàng )造有很多事要做,要國人接受?chē)a(chǎn)高檔激光儀器也是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。張書(shū)練教授對此表示:“困難怕意志,中國創(chuàng )、世界用的時(shí)代一定會(huì )到來(lái)!”  

個(gè)人簡(jiǎn)介

    張書(shū)練,清華大學(xué)本科,碩士,教授,博士生導師。激光和精密測量專(zhuān)家,偏振正交激光器納米測量技術(shù)的國內創(chuàng )建人和國際主要創(chuàng )建人。作為第一完成人,獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎兩項,教育部自然科學(xué)一等獎兩項,電子學(xué)會(huì )發(fā)明一等獎一項等十余次獎項。他在ISMTII-2017國際學(xué)術(shù)會(huì )議上被授終身貢獻獎。出版專(zhuān)著(zhù):唯一作者3部,第一作者1部,主編國際會(huì )議專(zhuān)題文集2部,計測技術(shù)“教授論精密測量”一期,發(fā)表論文360余篇,發(fā)明專(zhuān)利權80余項。發(fā)明的雙折射-雙頻激光器及干涉儀等納米測量?jì)x器已經(jīng)批產(chǎn)。





 

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