中国光学发展历程的若干思考

光电智造 2022-07-30 10:54:15

新中国成立50多年来,我国光学在众多领域取得了重大的进展,,并在国际光学界占有一席之地。,亲眼目睹了我国的科学技术在中国共产党领导下似一棵幼芽嫩苗,茁壮成长,欣欣向荣,硕果累累,形成了繁荣昌盛的局面,心中无限感慨和欣慰。

   1948年我从英国留学回国,一直从事光学领域的研究工作。我想就半个世纪来我国光学的发展,结合我自身的经历,谈谈我的感受和体会。

    * 半个世纪以来中国光学的发展和成就

1948年我回国时,旧中国仅有一个算是象样的光学工厂在云南昆明(后命名为国营298厂),约有500~600人,主要为兵器枪炮服务,能制作一些简易的军用光学仪器,如双目望远镜、炮队镜等。此时,龚祖同先生早在我之前回国,他在国外学的是光学加工和设计,回国后任该厂的总工程师。另外,钱临照、严济慈先生进行显微镜镜头的试制,他们和丁西林先生等都十分关心中国光学仪器的制造工作,特别是光学镜头的设计与制作。当时我国的光学基础就是如此。

这并不是说我国没有光学的科学历史,据《辞海》记载,明末清初我国有一位光学仪器制造家,名叫孙云球,江苏吴江人,与牛顿同时代人。他是中国民间最早独立制造望远镜者;他创制眼镜,利用凹透镜、反射镜制造出察微镜、放光镜、夜明镜等70种光学仪器;他总结造镜经验,写成《镜史》,在我国光学仪器发展史上留下光辉的一页。但由于历史时代和封建社会的限制,他的成就并没有得到应有的推广和发扬。

我把建国以来的中国光学发展分为3个时期:

    * 1949~1960 年——初创期,

    * 1960~1978年——建设期,

    * 1978~2000年——成长发展期。

2.1 初创期

我国的光学工程,由于国民经济和国防建设的需要,自建国后就开始进行研究和建设。20世纪50年代初,结合国家科学发展规划,中国科学院设立了第一个光学科研机构——中国科学院长春光学精密机械研究所(含上海光学仪器厂和长春材料试验机厂等,初建时称中国科学院仪器馆,现称中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),高等学校如浙江大学和北京工业学院也设置了光学仪器专业,开始培养自己的光学人才,标志着新中国光学由此起步。长春光机所当时主要致力于光学技术基础和材料、元器件的研究,从龚祖同先生亲自研制第一埚光学玻璃,掌握一些一般光学仪器制造技术开始,到能生产一般水平的显微镜和低档的经纬仪等,继之仿制了一些代表当时水平的若干精密光学仪器。到50年代末,,前苏联帮助我们建起了两个光学工厂,即国营248厂(军用光学仪器)和国营208厂(光学玻璃)。据此,初步奠定了我国的光学技术基础。

这一时期在光学领域较为突出的成果有:1958年长春光机所研制的号称“八大件”的精密光学仪器:1s精度的大地测量经纬仪、1μm精度万能工具显微镜、大型石英摄谱仪、中型电子显微镜、中子晶体谱仪、地形测量用多臂航摄投影仪、红外(变像管)夜视镜等,以及系列有色光学玻璃。此外,还有北京工业学院(现北京理工大学研制的大型天像仪(假天仪)等。

20世纪50年代,我国的教育部门也开始注意光学仪器人才的培养,浙江大学、北京工业学院、长春光机学院等院校,国营298厂、248厂、208厂以及上海光学仪器厂等开始为我国培养了一大批从事光学工程、富有朝气的青年学生和科技人员,为后继成立的上海光机所和上海技物所以及各地的光学厂输送了一大批技术骨干,所培养的人才和所获得的成果对我国的光学和仪器制造工业起到了积极的奠基和推动作用。

2.2建设期

20世纪60年代开始,研究光学的单位和人员骤增,特别是激光、微光、红外等技术的出现,研究领域不断扩大。当时,为适应国防建设的需要,陆续在全国成立了上海光机所(激光和激光工程)、西安光机所(高速摄影与瞬态光学)、成都光电所(光电技术与自适应光学)、安徽光机所(大气光学与遥感)、上海技术物理研究所(红外与航天航空遥感)、西安应用光学研究所(微光与光电)、西南技术物理研究所(激光)、昆明技术物理所(红外、热成像)、电子部11所(红外、激光)、13所(半导体)、44所(CCD器件),航天部8358所(激光、光电、红外)等,他们在光学和光电领域各有自己的特色和侧重。

1961年,我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生,它比美国的梅曼在休斯实验室发明的红宝石激光器仅晚一年。随着激光器的发明和发展引起了光学技术的重大变革,我国在激光等领域也取得了显著成绩,有了长足的发展。

20世纪60年代初,由于国际形势和国防建设的需要,我国的光学研究所大都转向以国防光学技术和工程研究作为主攻方向。例如,国际向长春光机所提出研制大型精密光学跟踪电影经纬仪的任务,,评定制导系统的运行精度和获取成像电影记录。长春光机所在全国各兄弟单位大力协同下,经过5年不懈的努力,终于研制出超过原设计指标的我国第一台大型的光测设备,开创了我国独立自主地从事大型精密光学装备研制和生产的先河。

,尽管许多科研工作受到很大的干扰,但自20世纪60年代开始,我国的光学科技,特别是为“两弹一星”服务的光学装备和国防光学工程的研究和开发,一直没有停顿过。在激光技术、红外技术、热成像、微光夜视、光电遥感与靶场光学仪器、核试验高速摄影设备以及大型天文光学仪器等研制上都取得了可喜的成就。值得指出的是,在强激光技术领域打出了中子,当时被国际(加拿大)认为和他们是处在同一水平。

    o 成长发展期

党的十一届三中全会以来,,改革开放和知识分子政策的落实,极大地调动和鼓舞了中国光学界科技人员的积极性和创造性。光学,也像其他学科一样,得到了适时的发展,进入了一个崭新的阶段。20世纪80年代以来,由于高技术发展的需要,现代光学与光子学——激光、微光、红外、全息、光纤通信、光存储、光显示的迅猛发展,促进了当代科技、国防、经济的发展和人民物质水平的提高。国家自然科学基金的设立以及
“863计划”的实施,促使应用光学和光学工程的科学研究、实验条件有了很大的改善。据不完全统计,已经建成或开放的有关光学的国家重点实验室有:超快激光光谱学实验室(中山大学),光学仪器实验室(浙江大学)晶体材料实验室(山东大学),激光技术实验室(华中科技大学),应用光学实验室(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)集成光电子学实验室(清华大学、吉林大学、中国科学院半导体研究所),红外物理实验室(中国科学院上海技术物理研究所),光电技术与系统实验室(重庆大学),量子光学实验室(山西大学)等。此外,中国科学院的开放研究实验室有:视觉信息加工实验室(生物物理研究所),激光光谱学实验室(安徽光机所),高功率激光物理实验室(上海光机所),量子光学实验室(上海光机所),瞬态光学技术实验室(西安光机所),光学与精密机械新技术实验室(成都光电技术研究所)等。高等院校和部委还有若干个光学与光电子学方面的开放实验室和专业实验室。所有这些都为加强光学与光子学的基础研究和应用基础研究,适应新时代科技发展潮流,培养创新人才,促进光学工程学科的发展,开展学术交流和合作研究创造了良好的条件。

目前,我国的光学与光子学的研究已有相当强大的队伍,有了较好的基础。据不完全统计,我国从事应用光学和光学工程的单位有大、中型研究所和企业近300 家,从业人员约15万人,主要分布在中国科学院、国家教委、机械、电子、兵器、航空航天等部门。全国有85所高校设立了光学、光电即激光专业。1979年起,中国光学学会正式成立,下设17个专业委员会,积极开展国内外学术交流工作。

可以这样说,20世纪的后20年是现代光学与光子学大发展的年代,也是中国光学大步前进的20年。我们可以看到我国光学发生了如下的变化:

    * 完成了由传统光学向现代光学的过渡和转变

光学突破了传统的束缚,拓宽了可见光的概念,从紫外、可见、微光、红外,直到激光、光纤通信的各个波段;现代光电子仪器和设备冲破了光机的传统结构,具有了光机电算一体化的特征;光电子仪器走向自动传感、微机控制、CCD摄像监视、智能操作、图像处理等。中国光学实现了由传统光学向现代光学的转变。

    * 微电子技术、计算机技术在光学上的广泛应用

微电子技术、计算机技术的发展和应用渗透到光学各领域,成为现代光学仪器不可分割的组成部分,从而推动了光学仪器的光机电算一体化和智能化。

    * 大力发展光电子学和光电子技术

电子学、半导体技术和光学的结合和渗透,产生了光电子学,包括光转换为电、电转换为光这个具有深远意义的交叉学科分支。光电子技术的一个重要应用是光纤通信、光电子进入到信息领域,无可争议地成为信息产业的主角之一。中国企业界也纷纷抢占光电子高地,相继建立了长春“光电基地“、武汉“光谷”、重庆“光电”、广州“光谷”、深圳“光子产业”等有地区性特色的高技术园区。

    * 在光学领域形成了一系列新的学科分支并向其他学科渗透

我国光学的发展,已经形成了非线性光学、纤维光学、强光光学、全息光学、自适应光学、X射线光学、天文及大型光学工程、激光光谱学、瞬态光学、红外光学、遥感技术、声光学和信息光学等多门新的学科分支。此外,光子学与物理学、化学、生物学、医学结合、便产生激光物理学、量子光学、激光等离子物理体、激光微观动力学,光化学、激光诱导荧光光谱学、激光生物学,生理光学、激光医学等。现代光学和光学工程已发展为以光学为主的,并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。

    * 光学应用已普及到各个科学技术领域

光学的应用已遍及或渗透到国民经济、国防建设各领域,特别是高新技术领域,如空间、能源、材料、微电子、生物工程、化学工程、医疗、环境保护、遥感、遥测、精密加工、计量、通信、印刷、能源、生态环境、防灾、农业、生命科学、资源保护以及军事、农业等。在当代,可以这样说,没有一个技术领域不与光学有联系。光学已与人民生活息息相关。

半个世纪来,可以代表中国光学工程的重大成就主要有: 2.16m天文望远镜;

“风云一号”气象卫星遥感光学装备;

第一台红宝石激光器及多种激光器系列;

激光核聚变装置;

皮秒条纹相机;

飞秒激光器;

第一代红外热像仪及微光夜视系列产品;

第一代国产同步辐射工程;

自适应光学装置;

全息光学工程;

光学精密计量;

光纤通信已见应用。

应该指出,过去半个世纪,国际上光学发展非常迅速,尽管我们在光学领域取得许多成就,但我国的光学与光子学研究的总体水平还落后于国际水平。基础研究较差,原创性成果较少。我国的光学基础研究只在少数学科达到国际水平;在高技术和应用研究方面,技术基础比较薄弱,元器件研制水平低;在光学和光电子学的产业化方面,进展较为缓慢,产品质量和性能尚差,批量生产的多为低档产品。

    * 我国光学发展过程的体会与感受

回顾我国光学的发展历程,从无到有,进而自主开发,以至取得一些成绩,能在国际光学界占有一席之地,是与党的正确领导和各方面的支持分不开的,是与新中国青年一代共同努力奋发图强分不开的。

    * 中国光学的发展主要依靠自己培养的“科班人才”

1952年,我被调到长春总国科学院仪器馆(后为长春光机所)工作,数年内先后分配来的近百名非光学专业的大学毕业生,是中国光学事业最初的骨干力量,他们很快成长为学术带头人,他们和50年代毕业分到我所的光学专业的学子们,成为新中国光学事业的开拓者。

自20世纪50年代开始,无论研究所或是高校,对于青年学人的培养,比较注重基本功的训练,使他们具有了扎实的理论基础和培养了动手实践的务实学风。通过实际任务的锻炼,让他们挑重担,由浅入深、由简入繁打好基础,经受工程实践和严格要求的考验。由此早就了一批又一批理论基础深厚并有丰富实践经验的青年专家队伍。我深深地感到,今天我们之所以能在世界光学领域占有一席之地,主要得益于新中国成立之初对光学“科班人才”的培养。

我国光学当年创业初期的环境十分艰难。到60年代初,生活上更是艰苦,而科研任务又非常繁重,但我们的科研人员没有叫苦。那时,科研条件差,一切都靠自己动手干,自力更生,白手起家,但这也是最锻炼人的。可喜的是,艰苦的环境使我们青年科技人员锻炼得更坚强,严格的培养和实践的锻炼使他们在理论和技术上有相当高的造诣和水平,具有勇于自主决断的能力。几十年来,长春光机所之所以硕果累累,是因为他们优良学风代代相传,早就了一支特别能战斗的、具有极强凝聚力的、能打硬仗的优秀科研队伍、这支队伍无条件地听从指挥和调度,相互支持、协同作战,体现了科学团队的精神。

60年代初,我国光学领域在理论上的成就与世界科学同步。在激光理论和光学系统的理论和设计上,都有自己的原始创新;中国第一台红宝石激光器,诞生时间仅比国外落后一年。我国的激光技术在起步阶段发展十分迅速,无论是数量还是质量,都与当时的国际水平接近。一项新技术能够如此迅速赶上世界先进行列,在我国近代科技发展史上并不多见。年轻的中国光学专家们能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际器件,取得国际先进水平地成果,主要得力于当时富有凝聚力和创新精神的中青年研究队伍、扎实的基础研究积累以及多年来研究所在光学技术、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。

值得一提的是,长春光机所的科技人员,通过多次完成国家急需的科研任务,自力更生、艰苦拼搏、锻炼成长,在光学领域做出许多令人瞩目的成就的科技人员,到 2001年就有15人先后被遴选为中国科学院院士或中国工程院院士。他们把个人理想与国家发展结合起来,把自己融入到祖国光学事业中去,他们是时势造就的接触人物。同时在中国科学院和其他研究院所与高校,也涌现了一批杰出的光学人才。

在考察一个青年学人是否是真正的科技人才时,我认为,智慧、勤奋、扎实的基本功和对事业的执着追求,是十分重要的;但人品也是非常重要的。这可以从四个方面看:一是立项是否远大;二是有否使命感、热诚和激情;三是不怕困难,矢志创造,解决问题;四是有团队精神,群策群力。而这一切,需要通过实践的培养,锻炼和考验,方能选拔真正的人才。

半个世纪来中国光学的发展,归根结底靠的是人才,是我们自己培养的高科技人才。而人才一靠培养,二靠锻炼。“科技以人为本”,这里的人我体会是指具有高科技素质的人才,是适应时代需求的人才。科学成功有许多因素,但最重要的还是人才,培养人才需要环境,需要好的研究方向,需要有任务去锻炼,需要有时间去探索。我想,我们在科技工作中还要把人才放在第一位。

    * 以任务带学科,学科和人才在实践中成长

大家知道,20世纪60年代初,国家处于极困难的时期,三年自然灾害加上周边地区的形势十分紧张,中国需要强大的国防,以抵御外来的侵略。国防是买不来的,当时光学的许多技术还是空白,只有靠自己。国防的科研任务大多是硬任务,既是巨大的挑战,也是难得的机遇。通过完成这样艰巨而光荣的任务,逐步建立起学科的技术基础,既锻炼了我们的队伍,也带出了年轻一代的中国科技专家。

长春光机所在20世纪60年代初由于发展“两弹”的需要,承担了研制大型电影跟踪经纬仪的任务,工程要求能对弹道轨迹进行跟踪、记录、测量角坐标,,通过2~3台经纬仪的同步测角交会以获得飞行目标的空间轨迹。有关作用距离、定位精度、测速精度等性能指标要求,远高于当时国内所有的同类型进口仪器。这是一项庞大的工程,是一台包括光学、精密机械和自动控制等综合技术的大型精密测量装备,仪器总质量在7t以上。显然,无论从工程规模、技术水平还是研制力量上都超出当时光机所的能力。长春光机所当时正值从研制光学精密仪器向光、机、电、控仪器升级的转变初期,又没有国外大型仪器可供借鉴,只能参考国外文献中的一般描述和外形照片。

。当然,如所共识,这是要经过一番艰苦的努力和创新才能实现的,其中包括要靠这项任务在光学方面建立学科技术基础和培养自我开发能力。经过10年建所及创立技术基础的历程,面对国防需求,我们把工程分解为几十个专题:如工程样机总体设计、光学总体、光学设计、光学玻璃制备及检测、光学工艺及镀膜、跟踪系统、特殊控制元件、液压随动系统、光学控制系统、机械结构及传动系统、齿轮工艺及检测材料及稳定性、装校、检测及判读、项目管理等,每一个专题都有负责人,建立相关的学科技术基础。经过我们严密精心组织,工程进展得十分顺利,参加人数多达 600人,历时五年半之久。由几百个子项目组成的大型复杂的系统工程,从总体方案制定开始到理论分析、设计,从总装调试到现场试验,都是一次成功的。这是足以值得自豪的。经国家级鉴定,其性能远超当时进口的同类仪器水平。

大型电影跟踪经纬仪的研制成功,摆脱了对外国的依赖,,开创了我国大型光学工程研制的先河,在技术上为后来研制更先进的经纬仪——大中型激光、红外、电视电影经纬仪奠定了坚实基础,同时也培养了有关专业人才。

通过这样的任务,我们建立了光学领域必要的技术基础和相应的学科,有了校完备的条件,并在学科上不断有新的发展,同时也培养和早就了相应的具有技术创新精神的科研骨干队伍。

通过多年来的科研实践,国家不断建立了一系列光学方面的重点实验室,加强基础技术学科的建设,促进了光学在国名经济和国防建设中的应用,增强了原始创新的实力。

    * 对研究性工程需要有效的科研试制组织体系

建国以来,我国的光学研究机构必然要面临国家需要,特别是国防建设急需的各种光学仪器装备和工程的研制,这些任务大多是研究性的精密尖端产品,要求品种多、数量少、时间紧。除了要培养人才、建立学科技术基础外,采取适合我国国情有效的研发组织体系是非常必要的。在整个装备产品研制的过程中,需要科研与生产紧密结合的体系,不能采用传统的科研与生产脱节的办法。

例如长春光机所在20世纪60年代开始承担国防用靶场大型精密光学跟踪电影经纬仪的研制任务,当时就是用所谓“一竿子”到底的有效组织体系一次按时完成的。所谓“一竿子”,就是研究所接受后,从预研、方案论证与设计、研制试验、装调检测直到制造出合格产品,全部由研究所承担,当然还要依靠全国大协作。而另外一种组织体系则是考虑像中国科学院这样的研究所,其工作性质应当只是解决关键技术问题,而将制造整机的任务交给工业生产部门完成,即所谓“半竿子”的研制组织体系。我们当时考虑到我国生产部门研发实力较弱的实际情况,研究所实行“一竿子”的组织体系试完成这类任务最有效的策略。事实说明,由于技术性高、综合性强的光学工程或仪器装备,从方案论证、技术攻关到设计制造出合格产品,有许多问题是相互交叉的,涉及诸多学科技术,难以分割。许多微妙精细的窍门,从研究到制造,如果从研究所再转手到工厂,很难理会实施。研究试制过程中已建立的大量工艺检验设备和工具,其工作量远大于制造仪器的本体,而且往往是创造过程的重要体现(“两弹一星”就是这样),它们既可用于研制,也可用于生产,可以驾轻就熟地担负小批量生产任务。此外,实际任务要求非常紧迫,从时间上说,也不允许用“半竿子”办法来做。

大型光学精密跟踪电影经纬仪等许多大型光学工程,诸如2.16m天文望远镜;“风云一号”气象卫星遥感光学装备;第一代红外热像仪;激光核聚变装置;皮秒条纹相机;第一代国产同步辐射工程;自适应光学装置等都是由于研究部门采用了这种有效的组织体系,在全国有关产业部门大力协作下完成研制任务,同时建立了学科技术基础,培养锻炼出光学领域里能综观全局,驾驭总体,理论联系实际、团结协作的人才。

这一有效的组织体系,在发展我国光学工程的历程中是一跳符合我国国情的重要经验。人们在今天看起来是一间当然的是,但在当时国家还没有在体制上进行改革的时候,是相当有争议的。我们认为这种做法是实事求是的,可以说是一种科研体制上的创新。在今天改革开放的新形势下,这种做法得到了进一步的肯定,在中国科学院纳入了“一院两制”的开发体系中。

    * 要永远发扬“两弹一星”的精神

我国光学50年的发展历程标明,在科学研究中应当永远保持这样一个优良传统和精神,那就是热爱祖国、无私奉献、自力更生、艰苦奋斗、大力协同、永攀高峰,这就是“两弹一星”的精神。我们要永远发扬崇尚科学、团结协作、追求一流、讲求正气的团队精神。我们就是靠这种精神独立自主地发展我国光学事业的尖端技术,为光学事业的发展做出突出成绩和贡献。

   

 


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