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高端訪談

潘君驊:現代光學測試儀器與光學制造技術的奠基人

激光制造網 來源:中國激光雜志社2021-12-24 我要評論(0 )   

編者按:現年91歲的潘君驊院士精神矍鑠,思路清晰。當我們按照約定的采訪時間抵達大堂,只見潘院士健步迎上前來,一眼就認出了陪同我們采訪的朱健強研究員,并熱情地和...

編者按:

現年91歲的潘君驊院士精神矍鑠,思路清晰。當我們按照約定的采訪時間抵達大堂,只見潘院士健步迎上前來,一眼就認出了陪同我們采訪的朱健強研究員,并熱情地和我們一一握手問好。

潘君驊院士是我國應用光學專家,1952年清華大學機械工程系畢業,1960年蘇聯科學院列寧格勒普爾科沃天文臺畢業,1980到 2000年,在中科院南京天文儀器研制中心工作,2000年,返聘到蘇州大學現代光學研究所工作。曾任中國光學學會理事,中國天文學會常務理事,中國光學測試專業委員會主任,南京天文儀器廠副廠長等職務。王大珩院士評價他為“最具有工程概念的光學專家”。

早在留學蘇聯期間,他就提出了大望遠鏡二次凸面副鏡新的檢驗方法,并實際應用于原蘇聯6米望遠鏡和我國60厘米望遠鏡及2.16米望遠鏡的副鏡檢驗。回國后,在長春光機所為我國研制大型靶場光學設備建立了一套光學加工和檢測技術,保證了我國大型靶場光學儀器獲得優良光學質量,并對各種光學非球面的設計、精密加工及檢驗方法進行了卓有成效的研究,解決了光學加工的關鍵技術難題。在南京參加工作后,又主持完成當時遠東地區最大的“2.16米光學天文望遠鏡”項目, 獲1997年中國科學院科技進步獎一等獎和1998年國家科技進步獎一等獎。 

潘君驊院士雖然早過了退休年齡,但他前兩年才真正離開一線工作。緣于蘇州大學擁有潘院士這樣的優秀專家,已持續舉辦了18年的“中科院上海光機所光學系列高級培訓班”,計劃于2022年4月在蘇州大學增設“光學元件加工及檢測技術培訓班”和“微納制造與工藝培訓班”,敬請關注。

這次采訪中,潘君驊院士和我們談了在清華大學和蘇聯的學習、研究經歷,以及回國后的工作經歷,有些內容是在其它的采訪里提到過但沒有詳述的。本文保留口述風格,為方便讀者,已將內容按照采訪提綱進行整理。文末有詳細注解。


在清華大學讀書時為什么選擇了機械系?轉專業對您后來在原蘇聯科學院普爾科沃天文臺學習天文光學是否有影響?

我考大學的時候選擇機械系是受我二哥的影響,他是交大(現上海交通大學)機械系畢業的,功課也很好,平時我二哥就是我的偶像,所以我的目標也是機械系。這個不是我有興趣的系,到了清華大學碰到了物理系學生組織的“天文學習會”,我很感興趣,馬上就參加了。學生們會請知名的天文學家來講課,我清清楚楚記得第一課邀請的是燕京大學的戴文賽[1]先生。

我學天文學甚至比學機械本系的課還要認真,做了很多筆記,課余時間在圖書館里看了很多天文的書,有的還認真翻譯出來。清華大學有一架120(毫米)口徑的蔡司望遠鏡,我通過“天文學習會”把它借來,晚上觀測,當時根本買不到國產的這種鏡頭,國內光學工業基本是零。所以,實際上我是到了清華大學發現自己的興趣在天文方面,我想過要轉系,不過那時候已經不太可能轉了。我下了一個決定,就是我將來要搞天文儀器,既不離開我喜歡的天文,又不離開機械專業。

后來我搞光學儀器,機械系的東西對我來講非常有用!因為我有機械制圖這些能力,我想做一個裝置或是其它東西,我可以根據詳細圖紙直接下車間。

1952年潘君驊清華大學成績單(圖片來源:中國科學家博物館網站)

1956年單位派您蘇聯學習天文光學碰巧被分配到了這個感興趣的專業嗎

不是,我后來知道是龔祖同[2]先生的建議。

從清華大學畢業后,我被分配到長春的中科院儀器館(現中科院長春光機所)機械室,做各種光學儀器和非光學儀器。1952年到1956年我工作了4年,這期間我沒有放棄天文愛好,晚上看看星,磨一磨玻璃。我估計領導也知道這個情況,所以,1956年單位派大量留學生到蘇聯去學習時,就把我派去了。

到了蘇聯科學院普爾科沃天文臺以后,我才知道叫我去學天文光學,這時候我才從一個業余天文愛好者轉成一個天文光學專業的研究生。從業余狀態變成專業學習,當時知道這一點以后,我壓力是很大的,因此是比較努力的。

您在蘇聯學習期間,就另辟蹊徑,找到了大望遠鏡二次凸面副鏡新的檢驗方法,被蘇聯專家稱為“潘氏法”是怎樣的靈感、情形激發您提出了“潘氏法”?

當時老師給我的題目是望遠鏡非球面凸面鏡的檢驗,任務是對已經有的Hindle方法,做詳細研究,寫一個報告就行了。我在做的過程中就想,這個方法是不是最好的?它的缺點在哪里?能不能克服?這要稍微講專業一些了,Hindle方法主要的問題是它需要一塊口徑比較大的凹面鏡,來產生會聚光束,不過,凹面鏡的尺寸要求太大。

我就想為什么會有這個缺點,有沒有辦法克服它?我想到Hindle方法產生的會聚光束不是沿著被檢面的法線走,所以需要口徑比較大的凹面鏡,如果產生的光束沿著被檢面法線走,光束的口徑就是最小的了。有想法以后,需要推導相關的公式看理論上能不能實現,后來發現是有可能的。

蘇聯的研究生制度要求,在研究生中期,每一個學生都要做階段性報告,要講一講你已經做的工作和下一步工作打算。我把前面老師布置的工作報告了一下,然后把新的想法也報告了一下,結果我這個報告評選上了優秀報告,還收到了一個月的助學金獎勵。

潘君驊(右)留學蘇聯時在光學工廠實習磨鏡片(圖片來源于清華大學校史館)

您回國后,先后研制了國內第一臺激光球面干涉儀、當時遠東地區口徑最大的2.16天文望遠鏡等國家重大項目。您承擔這些項目時面對了怎樣的心理挑戰?這些重大項目為我國的光學事業奠定了怎樣的基

我先說說回到長春光機所以后的主要情況。

當時中蘇關系已經破裂了,蘇聯專家撤走,中國自己要搞遠程導彈,在做“150-1任務”[3],就是大口徑的經緯儀。長春光機所當時的技術基礎只會做小口徑的球面系統,設備和方法都是和這個相關的,要想把應用于最多到200(毫米)小口徑系統的方法,用到大口徑上去,無論機器設備、加工方法還是檢驗方法都是不行的。當時要磨的鏡片口徑其實不大,就600多一點,但是用磨200多口徑的設備再放大,肯定是不行的。還有檢驗方法也是這樣,用機械檢驗的方法想要達到光學精度,也是辦不到的。

而我在蘇聯學習的那套東西,從技術本質來講,就是解決大口徑光學鏡面的設計及檢驗問題。我發現我學的東西正是長春光機所最缺的東西,所以我選擇做這個方向,我不想和別人在業務上有重復的地方。我的工作直接從設計磨鏡片的機器開始,還有當時最主要的刀口檢驗方法,那時候沒有干涉儀,操作刀口儀需要學習,需要有經驗。大概到1963年,基本上把做大口徑電影經緯儀的技術基礎在長春光機所建立起來。

這一階段的工作為長春光機所后面的項目越做越強奠定了基礎。

做“150-1”工程的時候,我根本沒有精力去搞天文望遠鏡。“2.16任務”中間停過,是1975年左右重新啟動的,根據王大珩先生意見,我的編制在長春,按照出差到南京天文儀器廠的方式參加工作,我是1980年正式調過去的。

事情是這樣的,有一天,鄧錫銘[4]寫一封信給我,說他碰到了李慶逵[5]先生,李慶逵先生說2.16米紅外望遠鏡項目狀態很糟糕,擔心這個項目做不下去,鄧錫銘建議叫我參加。他跟我說“可能過幾天有人來找你”,叫我有個準備。在這個背景下,我正式參加到“2.16”項目中。但是參加這個項目我是有點擔心的,畢竟我做過的儀器是小的經緯儀,可以拿在手里的大小,“2.16”那么大的東西,并且項目已經在進行了,所以我有點擔心。

主觀方面我很想回到南方,客觀方面工作也有這個需要,最后我下決心還是去。對于我擔心的問題,當時我想只有一個辦法能解決,我在技術上一定要能站住腳,我做的技術一定要能夠經得起考驗,有了這一點,我想其他的問題都好辦。我抱著這個心態到了南京,開始大概有一兩個月感覺進入不了角色,所謂進入角色,就是我能主動考慮一些問題,后來才慢慢進入角色。我聽說“2.16任務”是科學院當年在“大躍進”時期提出的大膽項目里,唯一最后做成的。

1989年2.16米望遠鏡運送到北京天文臺興隆站后潘君驊(中排右一)與研究人員在圓頂室內合影(圖片來源于清華大學校史館)

能和我們多分享一點項目研發過程中其它讓您印象深刻的故事嗎

這種事情很多,我講兩件吧,是我確切做過的事情。

一件是半導體激光器的事情。到1963年,為“150-1任務”做的技術基礎工作基本上可以了,各部門裝校調整,光學車間進行常規運行,剩下的事情我臨時處理一下就行了。長春光機所物理方面的王乃弘[6]當時在做半導體(砷化鎵)激光器,他碰到一個困難來找我,就是光學諧振腔怎么做,我正好有時間,很積極地配合他,比如諧振腔的磨制、檢驗、焊電極,幫他想了很多辦法。

開始時一直不出激光,王乃弘很著急,就想了一個點子,要用非受激發光元件做光電話的通話試驗,主要的硬件工作都由我來做。最后我們用120口徑的系統做到50公里距離的通話,從十幾公里,二十幾公里再做到50公里通話,這個距離差不多是極限了。1964年4月份左右,我們早于北京半導體所,首先出來了激光。7月份《科學通報》就把我起草的一篇稿子發表了。北京半導體所說他們的激光出來得早,這點我不能完全否定,可是確實沒有文章能作為依據。 

《科學通報》官網論文信息截圖

半導體激光器剛出光不久,我就想它有什么用處。1964到1965年間,我用激光器去測800米以外一個大樓距離,用光學測距儀測量結果是837米。用半導體激光器連續打目標大樓的墻,示波器上有兩個信號,一個是發出的強脈沖信號,一個是比較弱的回波信號,兩個信號之間有距離,也有時間差,用光速乘以時間差就是距離。當時粗略地計算一下,我測的數據是830米。我可能是國內最早做激光測距試驗的,拍了示波器屏幕的照片我還保存著。

還有一件是上面交下來的“541任務”,做肩扛的打低空目標的導彈。“541任務”是科學院組織全院的力量合作研究的,長春光機所負責導引頭,上海技物所做硫化鉛紅外接收器,北京自動化所做控制系統,大連化物所搞炸藥和推進劑,還有其它幾個研究所。相關人員集中到北京聽了張勁夫副院長講話,我只記得他說,你們要“老湯下面”,意思就是不要提太多要求,要省一點經費。

然后,參加任務的單位代表到洛陽一個研究所參觀,他們有美國“響尾蛇”導彈的資料,因為有一顆導彈掉在地下沒有爆炸,我們把它完全“解剖”了,所以有整套圖紙。回去以后,我負責導引頭位標器的總體設計,實際上就是把響尾蛇導彈按比例縮小,王乃弘負責瞄準鏡中分劃板的旋轉和調制。這里又是機械知識有用了,我自己可以直接把導引頭的總圖、測試用轉臺和臺上的光學系統畫出來,這段時間的任務很緊張,可是我們的工作非常快,效率很高,不到半年,導引頭就研制出來了,可以在10米的距離跟蹤一個香頭,香頭只有一點點,香頭移動,導引頭就跟著轉方向了。

后來他們搞總體設計的嫌導彈打出去,半球形的整流罩導致風的阻力太大,要求改成八角錐形,這一改又是我的事情。這個錐體要用8塊玻璃拼起來,每塊玻璃間都有空間的角度關系,我為了解決這個問題傷腦筋傷透了。我得把每塊玻璃的角度、和其它玻璃之間的立體關系都搞清楚,畫出圖紙、下車間和加工的師傅一起研制。當時工作效率真的高,當然那時候晚上經常加班,經常通宵,很快也做出了尖尖的整流罩。

我們到科學院在懷柔的靶場試打,那時候特殊時期,上層已經亂得很厲害了,我們底下的還不知道,打了后結果怎么樣也不知道,過了不久科學院正式發文通知“541任務”停止了。科學院里雖然停了,國家實際上沒有停,到了1976年1月9號,所里通知我和王乃弘到沈陽松林機械廠(做導彈的)。為什么去呢?原來我們的圖紙已經在這里,圖紙上有些他們不明白的地方,要我和王乃弘去解答這些問題。后來有一次我到上海803所,也是做紅外器件的,發現這個東西已經變成產品并往其它國家輸出了。

您曾榮獲“1978年全國科學大會獎”“1998年國家科技進步一等獎”等獎項。2019年4月6日,為感謝您對近地天體望遠鏡給予的技術支持,國際小行星中心和國際小行星命名委員會發布國際命名公報,確定國際編號為216331號小行星被命名為“潘君驊星”。您怎樣看待這些重要的學術榮譽

“2.16工程”包含了好幾代人的心血, 包括科學院天文口的,新技術局的好多領導都關心,像龔祖同先生、王大珩先生、機械方面專家雷天覺先生,還有北京天文臺的程茂蘭先生等等。我覺得我能夠參加這個項目,并且把負主要責任的東西順利完成,我對得起這些老科學家,也對得起科學院里全心全意支持項目的領導就好了。科學院有一個叫戴中溶[7]的,好像還有一個姓張的,都是很認真地參加討論。“2.16工程”有各種技術方面的爭論,全靠科學院的領導參與討論以后,得到妥善處理。所以,只有從技術上能站得住腳,才能過得了這些關。

至于小行星命名的事,我是十分意外的,說好聽些,這是我性格中“助人為樂”的無意間的巨大回報。其實,我在近地天體望遠鏡中的付出遠不及有些項目中的辛苦。

(圖片來源于網絡)

您認為在光學設備、硬件研究以及高端裝備(如光刻機)設計、制造方面,需要培養什么樣的人才隊伍? 結合您的工作、教學經驗,您認為國內現在的科研模式是否滿足培養這類人才的需要

這種問題我沒有辦法回答你,我只能講一些粗淺的看法。我覺得要做好高端的儀器,知識面一定要比較廣,我目前也沒有深入到里面研究了,我只知道光刻鏡頭是非常難的,設計加工要求高到1%波長的精度,這個難度是很大很大的,所以參加這類項目的人知識面一定要很廣,并且要有豐富的實踐經驗。不光需要光學的知識,但是機械方面的背景要有。

我們那時候國家的需求多得不得了,題目有的是,就怕你不去做。不像現在要去爭取一個題目很不容易,時代背景不一樣了。

多年來,您一直積極倡導和實施我國光學系統采用非球面技術,具體有哪些原因

我在蘇聯學習的時候就意識到了非球面的重要性,不過在此之前,我一直記得王乃弘跟我說過的一句話:“光學設計的出路在于使用非球面”。到了后來,不管紅外也好,上天也好,用透射的玻璃元件已經不行了,紅外波長透過率受限制,材料受限制,上天的話重量受限制,就顯示出非球面這條道路非走不可。

我記得做“150-1任務”的時候,唐九華[8]有一個同時負責的“紅外分光光度計”項目,這上面有兩個元件,一個是離軸拋物面,產生準直光的,另一個是橢球面,在短焦點上安裝接收器的。離軸拋物面有個幾何原理,后面有一條子午線,它平行于子午面任何一個切面,切出來的這條曲線也是一個拋物面,它的方程參數一樣。他們根據這個原理做一個機器,平行地掛塊板,下面的玻璃旋轉,這塊板在上面平行移動。但他們沒想到掛板總歸要有厚度,這個厚度就產生問題了。檢查也是用精密機械的方式解決光學精度的要求,這顯然是達不到的。

所以我就順手幫他們搞了一個儀器,同時把刀口檢驗的辦法教給他們,很快就把紅外光譜儀的光學問題解決了。后來唐九華給我寫過一個評語,比我自己對自己評價還要高,他的手稿可能還在我這里,我很珍視他寫的東西。

潘君驊為中國大型光學跟蹤測量設備的光學技術基礎所做的工作,在中國國內是開創性的,水平是一流的,是無法從其他國家引進的 。(光學工程專家、中國科學院院士唐九華評)

您曾在“第十六屆全國光學測試學術交流會”中提到,因為諸多因素,在激光球面干涉儀研發后,沒能盡早使它得到最大化推廣,而最終讓Zygo干涉儀占據了大部分市場。結合您的經歷,您認為國外的科技成果比國內更容易形成產業化是什么原因

激光球面干涉儀是1974年做了模型,我先簡單地搭了一個光路,然后請激光干涉方面的顧去吾[9]先生過來,和他討論我的方案行不行,他說可以。隨后我搭了完整的光路,試驗發現能看到條紋,當時用的是氦氖激光器。

這步結束以后,我就找了個廢的小車床,放了標尺,可以測量半徑,等于做了一個模型試驗。再下面一步就設計正式的激光球面干涉儀了,產品出來得很快,那時候做事情真的是很快。后來長春光機學院(現長春理工大學)把圖紙都要去了,變成他們的校產品。

到這個程度,我思想上認為,利用激光器做了一個經典的光學儀器,有新的用處,圖紙、詳細的說明都有,我的事情就完了。客觀來講,那時還沒有美國人的Zygo干涉儀,Zygo大概在1980年前不久才有點眉目,而且我們有些條件還不成熟,主要是干涉條紋的自動判讀還沒有一套理論,還至少需要有臺PC機,球面干涉儀上需要的精密刻尺,在國外可以直接買到,而我是先打聽到北京303所在提供尺坯情況下能刻,于是畫了圖,找光學車間再來磨。再加上,當時國內也根本沒有市場意識,造成了主觀上沒認識到下一步應該怎么做,我覺得光機學院要去做校產品我就很高興了。

現在我們有市場意識了,但是科研成果想要轉化成產品的,首先要看這個產品是不是真正有市場價值。有時候自己簡簡單單地認為有價值,做出來卻沒銷路,那也不行。我想創新性的東西,在實踐中才能真正產生價值,能有一件兩件已經很好了,不會每一件都是成功的,肯定有失敗的,所以要允許失敗。

光學學報》是王老親手創辦的中文刊,許多老院士和專家都對她有著不同尋常的感情,您也給我們學報投過多篇優秀稿件,還在學報創刊40周年時,給學報題詞,您認為以《光學學報》為代表的中國光學期刊應該怎樣發展,怎樣做到為光學學科服務

這個問題我根本沒有資格回答。現在技術發展得太快,知識更新太快,我跟不上了。期刊做專題應該找熱點問題相關的全國的專家去搞,我們各個大學都是有這些領域的專家的,因為學校和科研院所有幾個學科存在,有專題項目存在,一定是有專家的。

潘君驊院士為《光學學報》創刊40周年題詞

對從事光學研究的年輕后輩有什么寄語給他們

《荀子·勸學篇》里的“鍥而舍之,朽木不折;鍥而不舍,金石可鏤”。我想這幾句話蠻有用,是說你去研究了一下,馬上就扔掉不搞了,那連一個空木頭你也彎不斷,什么都做不成。每個做工作的人都應該具備“鍥而不舍”的精神。

可以和我們分享下您保持健康長壽的秘訣嗎

第一,我覺得可能是基因遺傳的因素。第二,千萬要注意自己身體正常的維護。我父親94歲去世,他年紀大了不小心得了肺炎,肺炎對于年輕人無所謂,對年紀大的人就不好了;我二哥是98歲,他沒得病,只是到后來吃不下東西。我三哥93歲,現在在北京。 還有一點,不抽煙不喝酒,這也是相當重要的,有個別抽煙的還壽命很長的,但那是個別的。

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