光的思考者——記北京師范大學物理系教授劉大禾

本刊記者 黃雪霜 杜玲娟

巴爾扎克說：“一個能思想的人，才真是一個力量無邊的人”；

笛卡爾說：“我思，故我在”；

韓愈說：“業精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨”；

……

古今中外，思考一直是人類文明進程中的一道智慧之光，誰善于運用它，誰就擁有打開科學世界大門的鑰匙。在神奇的光學探尋世界里，有這樣一位以善于思考著稱的科學家，他能將“每一點‘靈感’都化為‘理想’”，他能“求新立異，點亮‘光學’世界”，他科研生涯中所創下的一個又一個突破性成果，為學界和各個媒體所肯定和贊揚。他就是北京師范大學物理系劉大禾教授。

我思，我在；我在，我思——盡顯布里淵散射神奇魅力

布里淵散射？這一在許多普通人看來抽象難懂的名詞，在劉大禾教授看來如日常飲食，再熟悉不過。它是劉大禾教授最具代表性科研領域。

在加拿大

布里淵散射是布里淵于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學振動。“我做的是水中的布里淵散射。即使是一杯水，某一個點的折射率也會隨著溫度和壓力的變化而變化。這種漲落會向四周傳播，形成聲波。這個波有一個個波振面，就相當于一面面運動的‘鏡子’。如果一束光射到水里的這些‘鏡子’上，就會由于鏡子移動而產生多普勒效應，從而使反射光的頻率發生變化，也就是說你看到的散射光和實際入射的光之間是有頻移的，這就是布里淵散射。”用通俗易懂的語言，劉大禾解釋了他的主要研究對象。

別看解釋得通透熟絡，但誰又能想到，與布里淵散射“結緣”，劉大禾有一段從“門外漢”到“檻內人”的傳奇經歷。最初，劉大禾學習和研究的主要方向集中在光學全息和信息光學方面。1990年，他前往美國學習、工作，這才開始接觸了激光雷達領域的相關研究。1992年，他又以交換學者的身份，被公派至加拿大Laval大學光學中心從事光學信息處理方面的研究工作。在那里，劉大禾產生了改變研究方向的想法。1994年，受到美國Texas A&M大學的邀請，才開始了他在布理淵散射領域正式地科學研究。

起初劉大禾參與布里淵散射課題，只是看到別人遇到難題挺身幫忙。沒想到，這個幫忙的人卻做出了他人沒做出的結果，令導師頗為滿意。機遇就這樣在一次偶然中瞬間開啟，布里淵散射研究大門由此向他敞開，而大門里奇異豐富的內容不由自主地刺激他思考的神經，吸引他不停斷地向前去探索。

在項目研制過程中，劉大禾發現有某個元件需要高額的資金投入。美國需要10萬美元，俄羅斯需要5萬美元。能不能通過降低成本來提高技術的實用性能呢？劉大禾思考著，為此，1996年初，他專門回國內攻關，最終僅用5萬元人民幣就完成了這個元件。這次大獲成功為他今后繼續堅定從事布里淵散射研究奠定了基礎。

回國期間，劉大禾得知海洋科學被列為國家“863”計劃中一個單獨的領域。“布里淵散射的光譜特性與多個海洋參數有著直接的聯系。能不能將布里淵散射用于海洋監測，從而發展一種新型的激光雷達呢？”劉大禾思考的神經被再次激發起來，一連串的思考促使他最終行動：特意回國找到中國科學院和國家海洋局有關單位，向相關專家介紹了自己在海洋實時監測方面的工作，并得到了他們的支持。經過嚴格的審批和多次答辯，1998年，劉大禾申請的課題“海洋實時監測的激光布里淵散射方法”獲得國家“863”計劃批準立項。

通過這一“863”項目，劉大禾翻越了一座又一座高山，使布里淵散射在海洋里大放光彩：在國內外首次將受激布里淵散射應用于激光雷達，一改過去海洋監測使用浮標監測存在的測試結果不實時、回收困難易丟失數據、造價成本高等缺點；在國際上首次提出了實時探測水下隱身目標的新概念和方法，這是原理上的創新。且具有非常好的反隱身性能，目前的隱身技術該項探測方法均無任何隱身作用；提出了用布里淵散射實時監測水的體粘滯系數的方法；這是國際上首次用光學方法直接精確測量水的體粘滯系數的報道；并提出了利用受激布里淵散射實時監測海水渾濁度的方法；提出了測量強激光在水中衰減系數的新方法，進而研究了強激光在水中的衰減規律，為提高激光雷達的性能打下了堅實的基礎。

除了在海洋之外，布里淵散射的神奇魅力還能應用到什么地方去呢？獲得成功的劉大禾并沒有停下前景的腳步，相反，他的思考向更廣闊的范圍擴散：在研究過程中，他發現布里淵散射方法可以應用到血液流變學和血液動力學領域！運用這一研究成果，可以進行血液參數的體內實時測量，以期能夠對某些疑難病癥進行早期診斷，并對一些疑難病癥的成因給出解釋。

“我思，故我在”，科學家笛卡爾一句名言盡顯了思考的重要性，而對劉大禾來說，思考是他“存在”的價值體現，而他也在思考的過程中尋找到了快樂和成就感。為此，他將繼續將“思考”快樂地、不停斷地進行下去，“我在，故我思”。

不棄，不舍；不倦，不怠——又獲“光子晶體學”創新突破

孔子說：“學而不思則罔，思而不學則殆。”說明了實踐、思考、知識三者的之間的關系。深諳此意的劉大禾因此從來沒有停止過學習和思考。正因為他對所學所研的堅持，布里淵散射研究之外，他收獲了又一份驕傲，即在“光子晶體學”領域所獲得的突破。

光學全息是劉大禾最初的研究方向。1997年，在美國做布里淵散射研究時，在閱讀材料的過程中，劉大禾發現有人提出用光學全息的方法來研究光子晶體。光子晶體又稱光子禁帶材料，是一種在光學尺度上具有周期性介電結構的人造材料，在國際科研領域普受重視，多次被列為國際十大前沿研究之一。這一發現引起了劉大禾的興趣，“我能不能運用自己以前所學來完成這一研究課題呢？”這一想法縈繞在劉大禾腦海里揮之不去，但因當時工作繁忙，被暫時擱淺。

回國后，在研究激光雷達之余，劉大禾抓緊一切可能機會開始著手準備該領域的工作。循序漸進的過程中，他的想法也越來越多。“光子晶體研究中的重要工作之一就是全空間禁帶，要做到空間的各個方向都有禁帶，按照目前的理論，對材料有著嚴格而特殊的要求。必須使用高折射率材料，而且技術非常復雜。除非是國際頂尖的實驗室，否則都無法做到。

從何處入手才能有新的突破呢？不甘心隨波逐流的劉大禾開始了新一輪的另辟蹊徑。他給自己設置了一個挑戰——用低折射率材料實現全空間禁帶。這一次，他想到了光學全息技術，并最終用全息方法和低折射率材料制作出具有真正全空間禁帶的三維光子晶體。

對于劉大禾的研究成果，英國Nature系列出版物NPG-Asia Materials 于2008年9月4日進行了專門報道，指出他們為學術界帶來了“一種簡單的方法來產生可見光波段的全空間禁帶”。美國《應用物理快報》審稿人也評價道：“原來，全空間禁帶只能在全世界極少數實驗室中實現的。利用作者提出的方法，任何一個普通的實驗室都能做到，而且是使用低折射率材料。”

“科學的靈感，決不是坐等可以等來的。如果說，科學上的發展有什么偶然的機遇的話，那么這種‘偶然的機遇’只能給那些學有素養的人，給那些善于獨立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人”華羅庚一席名言，正好為劉大禾從研一生廣收碩果做了一個最佳的詮釋。