劉大禾：與布里淵散射的那些年

劉榮+楊進平

有人說，做一件事不難，難的是幾十年只做一件事。也有人說，在“快餐文化”蔚然成風(fēng)的今天，人人都在“搶”時間“搶”金錢，已經(jīng)很少有人會為了一件事耗費幾十年的耐心和等待。即便有，那也是極少數(shù)的“傻子”。因為，誰也說不準(zhǔn)等待我們的是成功還是失敗。

北京師范大學(xué)教授劉大禾與布里淵散射研究相伴走過了近二十年，他不介意做人們口中的“傻子”。對他而言，名利、金錢都是浮云，若能換來真正有價值的成果，別說二十年，更多時間也義不容辭。

在劉大禾的世界里，時間仿佛被放慢了，像一個個慢鏡頭，溫柔細膩地記錄著他與布里淵散射研究的每一幀畫面。這些畫面被打上了柔光，讓人恍惚以為他不是在做一項科學(xué)研究，而是在精雕細琢，打磨一件藝術(shù)品。

只是因為在人群中多看了你一眼

所謂布里淵散射，是法國物理學(xué)家布里淵于1922年提出的，一個可以研究氣體、液體和固體中聲學(xué)振動的物理概念。

為了便于理解，劉大禾做了通俗的解釋：“晶體中含有很多原子或離子，它們總是處于振動狀態(tài)，振動產(chǎn)生波，引起的效應(yīng)就是布里淵散射。以一杯水為例，水面某個點的折射率會隨溫度和壓力的變化而改變，這種漲落向四周傳播即形成聲波。波有一個個波陣面，猶如一面面運動的鏡子，光照射到這些‘鏡子上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，使反射光頻率發(fā)生改變，于是人們測到的散射光和實際入射光之間產(chǎn)生了頻移，這就是布里淵散射?！?/p>

劉大禾與布里淵散射研究的關(guān)系，用一種浪漫擬人的手法描述的話，就如一句歌詞所唱—“只是因為在人群中多看了你一眼”。

1994年之前，劉大禾的心思主要在光學(xué)全息和信息光學(xué)研究上。1986年至1990年間，他在國內(nèi)從事光學(xué)全息物理基礎(chǔ)研究。1991年在美國Aerometrics公司激光實驗室，他從事了一段時間的激光雷達研究工作。此后，他又被公派到加拿大Laval大學(xué)光學(xué)中心，依然從事光學(xué)信息處理研究。

今天，布里淵散射在激光雷達中得以應(yīng)用。所以回頭去看，1991年的激光雷達研究，似乎冥冥中為劉大禾日后的布里淵散射研究偷偷埋下了伏筆。

一切的改變都源于1994年。這一年，劉大禾的導(dǎo)師承擔(dān)了幾個研究項目，布里淵散射是其中之一。劉大禾當(dāng)時并不負責(zé)這項課題，只是看到同伴們遇到困難繼而出手相助。然而，就是這一次偶然的幫忙之舉，讓他與布里淵散射結(jié)下了不解之緣。于是，劉大禾正式踏上了布里淵散射研究之路。

此后，劉大禾全方位深入到了課題研究中，甫一出手，僅花費5萬人民幣就攻克了在美國需要10萬美元、在俄羅斯需要5萬美元才能突破的一個項目所需的關(guān)鍵難題，令導(dǎo)師大為驚喜。

劉大禾這種以較少經(jīng)費完成較難課題的“特技”或許就是在這個時期形成的。直到今天，他依然擅長處理這種“以小見大”的課題，并對此樂此不疲。用他的話說：“沒錢才能逼你必須創(chuàng)新”。

把握每個瞬間，讓夢想慢慢實現(xiàn)

歌手田震唱過一首歌，里面有句歌詞是這樣的—“把握每個瞬間，讓夢想在一分一秒中慢慢實現(xiàn)?！眲⒋蠛痰目蒲腥松故桥c此歌詞有異曲同工之處。

該出手時就出手

在美國工作期間，劉大禾聽聞國家863計劃將涉及海洋領(lǐng)域。這個消息令他心動不已?！拔覈Ｑ筚Y源豐富，若能得到863計劃的支持，回國開展研究，很多想法肯定能得到很好的實施?！睂τ谶@樣一個難得的機會，科研嗅覺靈敏的劉大禾怎么可能放過。于是1996年，他回了一次國，為自己的研究做了前期“宣傳”。

劉大禾之所以如此積極，除了因為能回到祖國懷抱，解除思鄉(xiāng)之情外，更重要的是，他當(dāng)時的研究重點針對的是水中的布里淵散射，堅信將布里淵散射用于海洋監(jiān)測，潛力巨大。

布里淵散射的光譜特性與多個海洋參數(shù)有著直接聯(lián)系，劉大禾的大膽構(gòu)想，是將布里淵散射應(yīng)用到新型激光雷達的研制中，一旦作出成績，必然能使我國海洋監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展更上一層臺階。

這種構(gòu)想并非空穴來風(fēng)。一方面，長期以來，我國海洋監(jiān)測通常是在不同位置及深度布置大量浮標(biāo)，數(shù)月之后回收這些浮標(biāo)從而進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理和分析。這種方法有幾個缺點：首先，無法獲得實時數(shù)據(jù)，有時還會因為其他原因?qū)е虏糠指?biāo)丟失，采集不到完整測量數(shù)據(jù);其次，大量浮標(biāo)的投放背后，是高昂的成本支出。再加上浮標(biāo)探測屬于接觸式探測，如果遇到惡劣環(huán)境，則會受到嚴(yán)重影響甚至無法完成探測任務(wù)。

曾有人提議可以使用微波雷達。誠然，微波雷達確實能夠?qū)Ｃ孢M行監(jiān)測，但到了水下，卻也只能哀嘆“江郎才盡”。

另一方面，盡管作為一種新型的海洋監(jiān)測工具，水上水下“通殺”的激光雷達被賦予眾望。但在劉大禾看來，目前的激光雷達采用幅度探測法的居多，也就是通過探測回波信號幅度的變化獲取相關(guān)信息。這種方法往往只能探測到一個海洋參數(shù)，在很大程度上限制了激光雷達的應(yīng)用范圍。而在探測目標(biāo)方面，這種方法也使得激光雷達的功力大大減弱，尤其是遇到隱身目標(biāo)時，則束手無策。

“提出一種新的激光雷達原理，發(fā)展相應(yīng)的新技術(shù)，是非常有必要且有意義的探索?！眲⒋蠛陶J為，布里淵散射就是不二選擇。

越想越覺得前景光明。劉大禾干脆鼓起勇氣將海洋實時監(jiān)測的構(gòu)想寫成材料，向中國科學(xué)院和國家海洋局的有關(guān)專家反復(fù)介紹。經(jīng)過一輪又一輪嚴(yán)格的答辯和審核，最終，這個極具潛力和吸引力的計劃征服了863專家組。

越挫越勇，我永不退縮

1998年6月，劉大禾帶著異國導(dǎo)師的鼓勵和支持回國，2個月后，他的863計劃課題“海洋實時監(jiān)測的激光布里淵散射方法研究”正式立項。短暫的激動與喜悅之后，他很快冷靜下來，開始客觀專業(yè)地分析課題。

雖然劉大禾有四年的布里淵散射研究經(jīng)驗，對相關(guān)知識的認識和了解已經(jīng)很深入，但此前的工作都是以美國的條件和環(huán)境為背景基礎(chǔ)。現(xiàn)在要在中國開展工作，首要任務(wù)是要結(jié)合中國的實際情況，進行本土化處理，分析項目在國內(nèi)施行的可行性，避免“水土不服”。這對劉大禾來說，難度不是很大。

讓他比較尷尬的是研究經(jīng)費非常有限。據(jù)他透露，按照當(dāng)時我國對科研項目資金支持的相關(guān)規(guī)定，國家863項目經(jīng)費大約40萬，國家自然科學(xué)基金項目也僅有十幾萬。對“海洋實時監(jiān)測的激光布里淵散射方法研究”這樣的大型項目而言，顯然杯水車薪。不過，這對擅長“以小博大”的劉大禾來說，也不是特別難克服的問題。相反，他倒是很樂觀地說：“那就‘窮課題‘窮做咯！先從理論和技術(shù)基礎(chǔ)做起?！?/p>

真正讓劉大禾感覺力不從心的是研究所需設(shè)備的購置，這對科研經(jīng)費有限的他而言，在當(dāng)時著實比較棘手。沒辦法，只能一天一天等，一點一點湊。2003年，等到他在“學(xué)校211工程”的支持下，攢夠足夠的經(jīng)費把設(shè)備全部備齊時，無奈“非典”又來了，購買的國外設(shè)備進不來，真是應(yīng)了那句——“天將降大任于斯人也，必先苦其心志……”直到2004年，他和課題組才正式開展完全的自主實驗工作。

面對一道道困難和障礙，劉大禾始終從容應(yīng)對，他相信好事多磨。相比后來研究過程中遇到的挑戰(zhàn)，這些前期準(zhǔn)備道路上的“小插曲”只會讓他越挫越勇，更加堅定自己的目標(biāo)，努力實現(xiàn)布里淵散射激光雷達在國內(nèi)海洋實時監(jiān)測中的應(yīng)用。

我終于看到，所有夢想都開花

在863計劃“九五”、“十五”、“十一五”期間給予的連續(xù)支持下，劉大禾歷時多年的研究終于迎來了收獲的喜悅—其成果獲得了省部級自然科學(xué)一等獎，并分別通過了2007年12月、2010年5月以及2014年3月教育部主持的成果鑒定，多名院士、知名專家一致認為他的研究達到了國際領(lǐng)先水平，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

人們?yōu)閯⒋蠛痰某晒ε氖址Q贊，但只有他自己知道，光環(huán)閃耀的背后，那段艱苦而漫長的攻關(guān)之路，他和他的伙伴們走得多么艱辛。

時光倒回2004年，經(jīng)歷了前期的種種考驗，“海洋實時監(jiān)測的激光布里淵散射方法研究”終于正式啟動。經(jīng)過一番討論和分析，劉大禾將最終方向鎖定“受激布里淵散射”。受激布里淵散射最大的特點，就是回波沿入射激光的反方向回傳且?guī)缀醪粩U散，信號被放大，能夠很大幅度提高激光雷達的探測能力。

這不得不說是個大膽的決定，要知道光在水下會出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，嚴(yán)重影響探測距離。而這種規(guī)律對受激布里淵散射的影響則更大。劉大禾的這個決定意味著，等待他的將是一條極具挑戰(zhàn)的攻堅之路，而擺在他面前的第一道障礙，便是如何克服受激布里淵散射的缺點，且使其長處都得到發(fā)揮。

原理上，劉大禾已經(jīng)證明了可以在保持受激布里淵散射優(yōu)點的同時揚長避短，接下來只要突破技術(shù)上的難點，他的課題就離成功不遠了。

劉大禾為此付出的是兩年多絞盡腦汁的思考和數(shù)不清的反復(fù)試驗。最終，他解決了這個問題。他不但找到了受激布里淵散射光強與線性衰減之間的關(guān)系，提出利用受激布里淵散射實時監(jiān)測水的渾濁度的方法，并給出了定標(biāo)曲線以及該方法適用的穩(wěn)定工作范圍，還給出了受激布里淵散射能夠大幅度提高系統(tǒng)信噪比和探測深度的理論和實踐證明，將其成功應(yīng)用于激光雷達。這在國內(nèi)乃至國際都尚屬首次。

劉大禾以此研究成果發(fā)表的多篇高水平論文得到了業(yè)內(nèi)人士的高度認同，也收獲了多個國家發(fā)明專利。但他并未就此滿足，而是乘勝追擊，又利用布里淵散射信號可被放大的這一優(yōu)勢，首次嘗試將受激布里淵散射和泵浦放大應(yīng)用于激光雷達中，成功獲得具有放大功能的激光雷達系統(tǒng)樣機。

據(jù)了解，國際上慣用衰減度表示探測深度，一般最干凈的水一個衰減長達約為20米，渾濁的水或許只能達到幾厘米。劉大禾的系統(tǒng)樣機經(jīng)過測試，最好的探測深度能夠達到10個衰減長度，遠遠超過國際上5個衰減長度的最好成績，定位精度達到0.2米，刷新了國際記錄。

前面提到，劉大禾認為原有激光雷達遇到隱身目標(biāo)將失去能力。為彌補這一缺憾，他在受激布里淵散射激光雷達研制中，賦予了該雷達反隱身的特性。

原理看上去很簡單，按照劉大禾的構(gòu)想，具體的目標(biāo)可以隱身，但海洋、大氣等環(huán)境本身卻是不可隱匿的。如此一來，利用目標(biāo)對周圍介質(zhì)的排斥性，就能通過探測目標(biāo)周圍環(huán)境場的散射光譜來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

劉大禾做了較通俗的解釋：“通常而言，水中會自發(fā)產(chǎn)生聲波，并以聲速向各個方向傳播。當(dāng)光與聲波相遇，聲波運動時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使散射光頻率發(fā)生變化，出現(xiàn)頻率大于和小于入射光中心頻率的兩個散射光，也就是通常說的頻移?！?/p>

“這時候，如果水下有物體，它所處的位置是沒有水的，水中散射光譜的布里淵散射分量則消失，我們只要監(jiān)測到布里淵散射光譜的相應(yīng)變化，就能知道此時此刻在水下某一深度是否有目標(biāo)。”

這種想法在當(dāng)時可以說是一個原理上的大膽創(chuàng)新，劉大禾最終克服種種困難，將該理念成功轉(zhuǎn)化成實際成果，讓布里淵散射激光雷達既能很好地對海水聲速、體粘滯系數(shù)、溫度、鹽度等海洋參數(shù)進行實時監(jiān)測，還能很好地探測用常規(guī)方法無法發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，為我國海洋監(jiān)測提供了全新的有效手段。

自此之后，劉大禾又將布里淵散射應(yīng)用于海洋溫躍層特性研究中，取得了頗有價值的成果，為研究溫躍層形成特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等奠定了基礎(chǔ)，對我國海洋科學(xué)和國防建設(shè)發(fā)展意義重大。而在老本行光學(xué)全息方面，他創(chuàng)造性地提出用低折射率材料實現(xiàn)全空間光子禁帶思想和方法，并利用普通全息記錄材料從實驗上獲得了真正意義上的全空間禁帶，在國際上引起了強烈反響。

為了夢想奮斗，那才是種享受

劉大禾的布里淵散射激光雷達的研究取得了諸多優(yōu)秀的成果—課題組發(fā)表相關(guān)論文36篇，數(shù)量不是太多，但每一篇都是高質(zhì)量，引用超過1000次，國際和全國性學(xué)術(shù)會議多次邀請讓他作特邀報告……

從某種意義上講，劉大禾是幸運的，他幾乎所有最初的構(gòu)想都如愿得到了實現(xiàn)，在863計劃的支持下，在他孜孜不倦的追求中得到了很好的實施。對于自己的成功，劉大禾多次明確表示，這與很多院士和專家的支持是分不開的，沒有他們的支持就沒有項目的今天。

科學(xué)家的成功大都有類似的幾個特點：發(fā)現(xiàn)有前景的項目時的當(dāng)機立斷，遭遇阻礙時的永不退縮，以及漫長攻關(guān)中不急不躁的堅持和等候。劉大禾用近二十年的時間對此做了很好的詮釋。

直到今天，他依舊沒有停止對布里淵散射的探索。對他來說，這些年最美好的記憶，就是每天鐘愛的事業(yè)都陪在身邊，這種為了夢想奮斗的日子，分分秒秒都是享受。只要有機會，他愿意在今后的科研生涯里繼續(xù)付出十年、二十年、三十年……