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潜心激光器纳米测量40年,冷门中做出系列“颠覆性”技术成果——访清华大学教授张书练
发布时间:2021-10-12浏览次数:154

来源:仪器信息网     链接: https://www.instrument.com.cn/news/20211011/593800.shtml

    没有测量就没有科学技术,没有超精密测量仪器,就不会有高端装备制造。然而多年来,中国制造业升级几乎是由国外超精密测量仪器来支撑,这是我国高端制造的短板之一。中国在超精密测量仪器领域,是否能够实现颠覆性技术突破和技术的持续跃迁,从而实现追随、并行、赶超,让“卡脖子”不再来?

     渐进式创新常有,颠覆性创新不常有,尤其是在历经几十年发展的激光测量技术领域。为了追求“变不能为能,使激光测量仪器具有更高精度、更小体积、更方便使用、更低造价”,清华大学教授张书练不介意是否进“冷门”坐“冷凳”,深挖激光现象不止,转化激光现象为纳米测量技术不停。从发现现象开始,到把现象推化为仪器原理,他取得了一系列颠覆性技术成果:发明了新型原理双折射(-塞曼)双频激光器,开发出十多种世界独一份的激光器纳米测量仪器。目前,多种仪器已经实现应用,部分实现规模产业化,在光刻机、机床、航空航天等领域得到广泛应用,带动了纳米测量,对科学技术做出了的重大贡献。

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张书练教授

     近日,仪器信息网有幸采访到这位非常具有创新性且多产的科学家,请他谈一谈自己这条深耕了40年的偏振正交激光器纳米测量技术的研究和应用之路。

路自创新开,果从问题来

     张书练生于农村,每每假期,他都下地干活,十分卖力。经历过多次旱涝,也常见春天的盐碱覆盖农田,缺苗少棵。百姓靠天吃饭,常靠政府救济。锄头的力量实在有限,既解决不好温饱更帮不了别人。他从高中课堂里,学到了蒸汽机、内燃机、电力、化肥,知道这才是“改天换地”的力量。

     20世纪60年代,清华大学在四川绵阳建立分校,张书练作为清华大学精仪系(原机械系)光学仪器专业学生,随校远赴绵阳,毕业后留校,被纳入分校(现在的清华电子系)激光专业任教。70年代,国家恢复研究生招考,张书练考入清华大学精仪系光学仪器专业,并回到北京。硕士论文的研究内容是激光陀螺,毕业后又在精仪系任教。

     激光技术的基础和精密仪器系的环境,使张书练走进了“激光”和“纳米测量”学科交叉的方向,心底的追求使他迈向“不创新我何用,不应用我何为”的道路。

     《不创新我何用,不应用我何为——你所没有见过的激光精密测量仪器》是张书练教授于2021年3月出版的学术书,总结了自己近40年有新意和有重要性的成果。在写作过程中,他从回顾中感悟到:失败和质疑是开辟创新之路的动力。

     在中国仪器界,过去长期大幅度落后于西方先进国家,这给了我国一个模仿、学习、跟进的快速成长机会。但现在或不远的未来,如何在无人引领的前沿仪器领域保持创新?张书练教授认为,“科学家应该见问题而喜,我们就是为解决问题才当教授的。有失败和质疑,就有需要解决的问题,才会有连续不断的成果并产生各种应用。”

     例如,张书练教授在研究环形激光器测量弱磁场和测量位移受阻,产生了双折射-塞曼双频激光器,今天显示出其突出重要性;申请“激光器纳米测尺”,被专利审查员质疑,因为形似一样实为不同,抗辩中接触了激光回馈,把他创新的正交偏振激光器引入激光回馈又开辟了一个新的方向,如今已是“枝繁叶茂”。

坚韧不拔,金石可镂

    谈及对创新的执着,张书练教授说“坚韧不拔,金石可镂,才能攀上创新高峰,落实到应用”。他研究的双折射双频激光器,历经30余年才实现批量应用,是张书练教授攀上高峰的范例之一。

     近50年来,塞曼氦氖双频激光器作为光源的干涉仪——双频激光干涉仪,一直是机械制造、IT(光刻机)等行业不可替代的纳米测量仪器。而由于原理限制,这种传统塞曼双频激光器存在三大缺憾。首先,两个频率之差一般在3兆赫兹左右。这一小频率差成为双频激光干涉仪提高测量速度的瓶颈,测量速度一直不超过1米/秒,成为提高测量导轨、光刻机、机台等设备测速的障碍。第二,需要加大频率差时,激光器的功率大幅度下降,7兆赫兹频率差激光功率下降到一百多微瓦,甚至几十微瓦,测量路数受到瓶颈性限制。此外,塞曼双频激光器输出的偏振旋转的光束,需要经转化才成为偏振与光传播方向垂直的光(线偏振),这给干涉仪带来几纳米,甚至10纳米的非线性误差。

     中国计量院的测试表明,非线性误差不仅是塞曼双频干涉仪的缺憾,也存在于单频干涉仪和其他类型的激光干涉仪中。

     该如何跳出这一窠臼?从物理原理再出发!

     张书练教授自1985年起开始了寻找产生大频率差方法,也即偏振正交激光器的研究。通过梳理、探究激光器的原理、特性和频率稳定技术,从普通的晶体双折射现象中,他找到了解决问题的契机。基于此,通过在激光器内置晶体石英片,使激光频率分裂,一个频率分成两个偏振方向互相垂直的光频率,晶体石英片的厚度,放置角度的微小改变,即可实现频率差的大范围改变,一个全新的双频激光器产生了——双折射双频激光器,其可输出40MHz到数百MHz频率差的光。如再加上横向磁场,成为双折射-塞曼双频激光器,输出~0MHz到数百MHz频率差的光。双折射(-塞曼)双频激光器为双频激光干涉仪性能的阶跃(减小非线性误差,提高测速,增加测量路数)做好了准备。

     利用双折射产生双频是把石英晶体片安放于激光器内,张书练证明双折射双频激光器的可行性。进一步,找到了消除两个频率相互竞争的“死区”,解放出0~40兆赫兹频率差的方法,这其中有复杂的物理问题,又有复杂的技术问题。再进一步,就是找到能实用、最优的双折射双频激光器的结构,包括实现全内腔,真空封接方式,消除环境温度变化影响等。为此,十几位研究生(博士,硕士)和工程师长期持续攻关,难以计数的实验,否定之否定,最终发明了内应力激光腔镜,即把双折射做在激光器反射镜内。这一激光器称之为双折射-塞曼双频激光器。这一颠覆性的激光器技术站在了世界双频激光的最前列。

     最后的胜利要体现在双频激光干涉仪上,只有把双折射双频激光器作光源的双频激光干涉仪做出来,并在应用中纠错改进,被应用认可,推广开,才算成功。从原理设计、实验验证装置、工程样机到仪器产品的跨越,可谓“古来征战几人回”。

     “熬人!”张书练教授用两个字表达了自己的体会,但他的脸上却洋溢着自豪。

     “从提出原理,到实验验证,再到产品化,并应用到双频激光干涉仪中。一开始仪器不稳定,我们就不停做调整,做工艺改造。在这个过程中,十几年就过去了。”张书练教授说到。

     如今,张书练教授发明的以双折射双频激光器为核心的激光干涉仪已成功实现批量商用。该仪器可广泛应用于科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业;其核心部件——双频激光器,基于双折射产生激光双频的原理,比国内外传统的塞曼双频激光器的激光功率高四倍、频率差大一倍或两三倍、最近达到13倍(40MHz),且没有两个频率之间耦合串混,分辨率达到1纳米,线性测量长度范围0到70米,非线性误差小于1纳米,测量速度超过2米/秒。这些技术指标,满足了机床检定、高端光刻机工件台定位等应用的要求。据透露,华为等经过广泛调研,选定了张书练教授的双频激光干涉仪,此外,相关机构也选定了张书练教授的双频激光器。

    独辟蹊径,步步生花

    双折射-塞曼双频激光器和干涉仪的成功是是从“冷门”里出来的,张书练教授认为,“被世界公认为那种‘红的’、‘紫的’领域,最有创新的工作往往已经完成了,再跟过去,虽然也能发表文章,也能突破,但仅仅是在人家设计好的大筐子里做。”

     “冷门”研究,说起来容易,做起来难。因为探索的是新原理的仪器,研究的是几乎空白的领域,张书练教授在工作展开过程中不可避免地遇到了太多的问题,他却对此保持了一个非常乐观的心态。在激光器的研究过程中,他深入揭示了其物理现象(获教育部自然科学一等奖两项),如以往不能观察的激光模分裂、模竞争、正交偏振,正交偏振回馈等,并从新发现的这些现象中思考,独辟蹊径,步步生花。

     在为双频激光干涉仪研究双折射(-塞曼)双频激光器的同时,张书练教授研究了双折射双频激光器的两个频率之间的耦合,也就是它们相互争夺(竞争)能量的过程,看到一个频率光强度增加伴随另一个频率的光强度减小,直至一个到最大时另一个被熄灭,周而复始。一个全过程正好是激光谐振长度变化半个光波长(316纳米),电路处理后,一个上升沿、下降沿是78纳米。这就是张书练教授发明的氦氖激光器纳米测尺等仪器,获得了国家发明二等奖(2007年)。

     激光的两个偏振正交的频率是因在激光器内放入了晶体石英或应力元件产生的,反过来,测出激光器的频率差就知道了激光器内的元件有多大内应力,多大内部双折射,这就发明了世界最高精度的光学波片和双折射的测量仪器,比传统仪器高一个量级。特别是测量方法可溯源到自然基准——光的波长。其至今成为唯一的国家标准的测量方法,也是世界上第一个波片相位延迟标准。客户利用这种仪器对加工过程中激光陀螺的元件进行内应力检测,找到了残余应力的成因,显著提高了精度。上海光机所用标准仪器校准了用于核聚变研究的激光玻璃内应力测量的仪器。这款仪器使他再次获国家发明二等奖(2010年)。

     气体HeNe激光器可以做出以上仪器,固体微片(毫米尺寸)激光器能有所作为吗?张书练教授指导博士生开始固体微片(毫米尺寸)激光双频激光干涉仪的研究,也取得了成功,研制出国内外第一台固体微片激光双频干涉仪,第一台固体微片激光回馈位移测尺。

     张书练教授从最基本的激光原理和光学原理出发,以解决问题为导向,一个又一个的创新思维,指导开发出这些世界独一份的纳米仪器,应用并产业化,从而创建了“偏振正交激光器纳米测量”学术体系。

仪仪相连,都是“中国创”

    张书练教授带领团队展开的研究工作,像葡萄树一样,一直向上开花结果。行进中,来了一个又一个“中国创”的机会,横向看去,仪仪相连成片,都是颠覆性的技术。

     激光回馈本来是激光系统中“绝对的害群之马”,张书练教授之前看过相关的文献,却没有想到要去研究它。因“位移自传感器氦氖激光器系统及其实现方法”专利在申请的时候被专利审查员驳回,说其与美国伯克利分校的一个专利相同,张书练教授便仔细阅读了审查员提供的对比文件,发现两个专利在结构上非常雷同,核心元件一样多,摆放顺序一个样,却因一个镜片的差别,使其原理完全不同,属于两个分支。

     张书练教授的专利,在镜片两面都镀上了激光消反射膜,光线没有反射地通过,镜片仅仅起到密封激光器的壳内气体的作用,完全不遮挡光线,所以被称为窗口片;而伯克利的这个镜片是个高反射率镜片,激光器靠其对光束的反射形成振荡。也就是说,一个与激光振荡无关,一个是激光器振荡的必需元件,即前者是激光振荡系统,后者是激光回馈系统。

     张书练教授想到,如果自己的偏振正交激光原理引入回馈,又会是什么行为呢?试一试!

     张书练教授先安排一个研究生研究激光回馈技术,要亲自看清了激光回馈的行为,思考激光回馈技术走向何方。自然想起偏振正交激光器技术,他用偏振正交激光器改造了激光回馈,于是,观察到若干新的现象,形成了偏振正交激光器回馈纳米测量系列技术和仪器,把激光回馈技术推上了一个新的高度,也使偏振正交激光器“再添双翅”。

     或走入他的实验室参观,或阅读他的四部专著(《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不创新我何用,不应用我何为——你所没有见过的激光纳米测量仪器》)和近400篇论文,可看到,张书练教授及其团队研制出的激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪、激光回馈纳米条纹干涉仪、微片激光(Nd:YAG和Nd:YVO4)共路(和准共路)移频回馈干涉仪、激光回馈远程振动和声音测量仪、激光回馈材料热膨胀系数测量仪、微片固体激光万分尺、Nd:YAG双频激光干涉仪、微片固体激光回馈共焦测量技术、微片固体激光回馈表面测量技术等十余种国内外独有的纳米测量仪器,仪仪相连,构建出了一个“正交偏振激光器回馈纳米测量仪器”体系。

     “步步生花”的“偏振正交激光器纳米测量仪器”和“仪仪相连”的“偏振正交激光器回馈纳米测量仪器”,构建成了一个完整的“偏振正交激光器及纳米测量”体系。“其中,激光器是核心,我们看见并解决了他人没有想到的问题,仪器的‘台阶’也就上来了。”张书练教授说他和团队的成果鲜明特征是,“激光器就是仪器,仪器就是激光器自身。”

坐实创造,不让论文变“云烟”

    在实验室里,一个博士生来了,做完实验,毕业后离开,然后再来一个博士生,这是一种很正常的安排,却往往使经验和教训难于传承,因为论文里面记录的一般都是好的结果,不常写入失败和纠正错误的过程,传承不全面。张书练教授很早就注意到了这个问题,因此邀请了4个工程师来实验室工作,由他们和学生一起完成实验。也正是这些工程师的工作,帮助张书练教授及其团队传承了一个个技术和仪器。

     张书练教授很注重团队研究课题的取舍,发现论文漂亮,实际上不能应用的,或更改方案,或暂时放下;发现论文漂亮,实际应用可能性大的,就持续研究,做实验样机。一直找机会仪器化,把首创的技术和仪器推向应用。

     除了双折射双频激光干涉仪外,国内外首台基于激光回馈原理的纳米分辨力固体激光回馈干涉仪也已经实现产业化,在美国圣路易斯华盛顿大学、合肥工业大学(三台已应用10年)、上海理工大学、北京理工大学等处被应用,且使用情况良好。该仪器能够无接触地测量微、轻、薄、黑、烧红等目标的移动量,以及水、酒精等液面的位移和高度变化,完全不需要在被测物上加附件配合,可用于监测航天相机的支架和镜面形变等。该仪器还可用于刻划光栅的金刚车刀,光束直接射向车刀,颠覆了以往光束射向车刀支撑臂的方式,将测量误差减小到1/4。

     “这些仪器,我想无论如何还是要传承下去。我在这块做了几十年研究,花了国家不少钱,要回馈给社会,这是我目前所想的事儿。虽然已经有几款仪器实现了产业化,但还是希望另外几款仪器也能‘成气’,至少,有仪器公司能把它接下来,由企业来推动仪器化、产业化。”张书练教授说到。

     据悉,北京镭测科技有限公司正努力把仪器产业化,尤其是双频激光干涉仪已经被几个半导体企业采购,担当起半导体全产业链一个重要环节国产化替代的历史重任。此外,华为、德国Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等国内外企业也在为张书练教授团队仪器的产业化和推广而努力。

     凡是新原理的东西,想要真正被社会所认可,尽管再好用,再有潜力,都是要花时间的。且由于历史和思维定式,国外多年强势,要国人接受中国自己的创造有很多事要做,要国人接受国产高档激光仪器也是一个循序渐进的过程。张书练教授对此表示:“困难怕意志,中国创、世界用的时代一定会到来!”  

个人简介

    张书练,清华大学本科,硕士,教授,博士生导师。激光和精密测量专家,偏振正交激光器纳米测量技术的国内创建人和国际主要创建人。作为第一完成人,获国家技术发明二等奖两项,教育部自然科学一等奖两项,电子学会发明一等奖一项等十余次奖项。他在ISMTII-2017国际学术会议上被授终身贡献奖。出版专著:唯一作者3部,第一作者1部,主编国际会议专题文集2部,计测技术“教授论精密测量”一期,发表论文360余篇,发明专利权80余项。发明的双折射-双频激光器及干涉仪等纳米测量仪器已经批产。





 

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