你可能知道小孔成像來自墨子，你或許也知道王大珩、龔祖同這些光學大家的過往故事，你或許還聽說過“王大珩班”，但是當這些片段串聯(lián)起來的時候，你可能對我國整個光學體系的發(fā)展又有了全新的認識。
借濱松中國十周年活動之際，我有幸跟隨并采訪了中國光學學會秘書長、浙江大學光電科學與工程學院劉旭教授。他對世界及中國光學發(fā)展脈絡的侃侃而談；對教育創(chuàng)新模式的積極推動；對光學學科未來前景的一片看好和對青年學子的殷殷期盼……無不把我們帶到了更高的層面去環(huán)視現(xiàn)在的光學事業(yè)?！奥牼幌?，勝讀十年書”大概就是這個樣子。
這篇文章，我們將一起梳理我國光學體系發(fā)展之脈絡，了解背后的故事，并以此向即將和正在從事光學事業(yè)的同仁，分享一些對未來光學發(fā)展的看法。
中國光學學會秘書長、浙江大學光電科學與工程學院劉旭教授
我國光學體系的追本溯源
劉旭教授的本科和碩士學位都是在浙江大學光儀系完成的，而后便去了法國繼續(xù)攻讀信息工程博士學位，畢業(yè)后繼續(xù)回到浙江大學，博士后出站一直工作至今。
他從事過光學薄膜的研究，后又承擔液晶顯示方向的國家項目，研制出了我國自己的高亮度高分辨大屏幕顯示設備，2000年后他大力發(fā)展真三維顯示技術，建立了國際首臺全彩色大尺度光場真三維顯示系統(tǒng)。近年來他關注超分辨顯微成像，提出移頻超分辨成像機制，解決了非熒光標記樣品的超分辨顯微成像難題。
30多年的光學領域?qū)W習經(jīng)歷和研究經(jīng)驗，讓他對整個光學體系發(fā)展脈絡了如指掌。他將我國光學體系的發(fā)展歸納為三個階段。
第一階段：古代光學從2400多年前的墨子開始
1015年，伊拉克物理學家海什木(Ibn Al-Haytham，西方人也稱他為Alhazen)發(fā)表了光學的開山之作《光學》(Book of Optics)，系統(tǒng)地描述了當時人們對“光”和“像”的認識，許多人將它叫做“光學之父”，甚至聯(lián)合國教科文組織也將此作為設立 “國際光年”（2015年）的依據(jù)之一。
但事實上，早在2400多年前，古代墨子就發(fā)現(xiàn)了小孔成像原理，并對自然界的光學現(xiàn)象進行了充分的觀察和實驗，總結出的許多光學成像和光線傳播理論。不過遺憾的是，我們古人并不崇尚科技，許多優(yōu)秀的光學學說并未被完整的傳承下來。而歐洲彼時的情況也與我們類似。19世紀，歐洲社會對科技不夠重視，致使許多著名科學家的多部著作很快在歐洲失傳。
因此，在第一階段的古代文明發(fā)展中，全球各地對光學的認識大多只是停留在少數(shù)的個人觀察和興趣之中。
第二階段：明末之后，我國物理學雛形開始顯現(xiàn)
北宋的沈括在《夢溪筆談》中重新實驗了光的直線傳播和小孔成像，并做了水的傳光實驗（這是光波導的起源）。但是我國光學真正發(fā)展起來則是在明末時期。
隨著西方傳教士的進入，望遠鏡、眼鏡等物件也隨之而來，在上海、蘇州等地流通甚廣。蘇州更是建立了國內(nèi)最早的眼鏡制造廠，主要制備顯微鏡、望遠鏡、眼鏡等簡單的光學器具。
在日本明治維新的影響下，“戊戌變法”轟轟烈烈地展開，彼時清朝政府派出大量留學生，帶回了西方國家關于“科學”的思想，我國的物理學思想雛形也開始顯現(xiàn)。同時，清末國內(nèi)開始創(chuàng)辦大學，留洋學生擔任講師。至此，我國的光學作為物理學中的一個分支，開始在教育體系中建立起來。
第三階段：伴隨國家項目的建設，開始布局光學體系
“二次大戰(zhàn)后，各國開始積極恢復本國經(jīng)濟和生產(chǎn)。當時（新中國成立后），國外對我國進行技術和經(jīng)濟封鎖。于是，1952年開始了我國的第一個五年計劃（簡稱‘一五’計劃）?！?劉旭介紹道。
“一五”計劃中，中國要建立十大工程，包括人民英雄紀念碑、人民大會堂等。而工程建設中急需量測技術。當時國務院委托李四光擔任地質(zhì)學家，研制量測所需的經(jīng)緯儀。李四光找到了王大珩，選址長春，籌建長春儀器館（現(xiàn)長春光機所），同時委托浙江大學物理系系主任何增祿在浙江大學建立國內(nèi)首個光學儀器專業(yè)。
浙大各類早期的光學學科書籍
“實際上，建國以后我國的光學事業(yè)可分為兩支：一支是留學英國的王大珩，一支是留學德國的龔祖同。龔祖同布局建設了全國光儀廠，上海光儀廠便是全國成立最早的光儀廠。而后他被調(diào)到長春儀器館（長春光機所的前身），主做光學玻璃?！眲⑿裱a充道。
1952年，王大珩先生和龔祖同先生在長春成立了長春儀器館，浙江大學成立光學儀器專業(yè)，研究民用光學路線。次年，北京工業(yè)學院（現(xiàn)北京理工大學）也成立了光學儀器專業(yè)，研究軍工光學路線。1958年王大珩創(chuàng)辦長春光學精密機械學院(現(xiàn)長春理工大學)。國內(nèi)光學教育體系開始逐漸完善起來。
同時，科研系統(tǒng)跟隨我國重大科技項目的建設，也在緊鑼密鼓的籌備中。1961年，由王之江領導設計，鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等人共同研制成功的中國第一臺激光器在長春光機所誕生。龔祖同因“兩彈”研發(fā)需要，于1962年組建成立了西安光機所，專門研制拍攝“兩彈”爆炸的高速攝影機。王之江則被派往上海，專門從事激光研究，并于1964年成立了上海光機所。導彈研制成功后需要光電經(jīng)緯儀進行衛(wèi)星跟蹤，于是便在1970年國家又成立了中國科學院光電技術研究所（簡稱成都光電所）。
就這樣，我國的光學教育和科研機構跟隨著國家建設的需要，由老一輩光學人歷經(jīng)20年左右的時間，一步步布局和完善，各有所長，各司其職。
浙大光電學科的發(fā)展及創(chuàng)新：產(chǎn)研結合，植根民用
“浙大光電學科的發(fā)展與全國光電教育發(fā)展基本同步?！睆?0世紀60年代，浙大開始承擔國家重大任務，拍攝氫彈爆炸的高速攝影機，到20世紀80年代從事航天工程關鍵拍攝載荷的研發(fā)，同時開始加大民營光學產(chǎn)業(yè)的推進力度。
浙江大學光電科學與工程學院曾為“嫦娥”系列等多項國家項目研制儀器
其實，從建立之初，浙江大學物理系系主任何增祿就將浙大光學儀器專業(yè)定位于民用領域，經(jīng)過半個多世紀的傳承和發(fā)展，浙大光儀系幾經(jīng)更名和調(diào)整，這一思想?yún)s從未改變，并深深影響著幾代光儀人，以開闊發(fā)展的眼光，積極建立了許多社會以及國際合作。其中日本濱松就是合作淵源比較深遠的企業(yè)之一。
1992年，經(jīng)時任中國光學學會理事長母國光介紹，日本濱松光子學株式會社前任會長晝馬輝夫與浙大光儀系陸祖康（劉旭的導師）建立了聯(lián)系。通過三年交流和磨合，最終于1995年正式建立合作，成立“浙江大學濱松國際光子學實驗室”（ZJU-Hamamatsu），致力于生物醫(yī)學光學成像的研究，包括超短時間領域生物光學現(xiàn)象研究、PET高分辨探測技術、圖像重建(PET、DOT)等。此外還開展了諸多學術和人才交流活動。
浙江大學濱松國際光子學實驗室
1998年，劉旭開始主導院系工作后，與濱松的溝通逐漸增多。他表示之所以浙大可以與濱松保持30多年的良好合作關系，是因為雙方都有著“長期發(fā)展”這一共同理念。而且他認為，晝馬輝夫并不是那種盈利至上的商人，很有國際主義精神。在擴大企業(yè)經(jīng)營的同時，他更希望能夠為社會、為光學產(chǎn)業(yè)做點貢獻。這種真誠在幾十年的交往中，是能體會到的。
劉旭介紹道，與濱松的合作，一定程度上也助力了浙大光儀系科研水平的提升。不僅有捐贈大量光學器件和設備的硬件支持；從人才培養(yǎng)方面，每年浙大會選送博士生至日本濱松中央研究院研修，為學生提供了更廣的視野和寶貴經(jīng)驗。這些交流生后來大多也投身于中國光學行業(yè)的建設，擔任重要角色。例如現(xiàn)任ZJU-Hamamatsu實驗室主任的劉華鋒教授，入選了國家杰出青年，也是與濱松接洽的第三代浙大光儀人。
“隨著在民用領域的推進，目前浙大已經(jīng)做到了幾個國內(nèi)第一。”劉旭自豪地說。“第一是，目前手機里所有的光學模組的產(chǎn)量占到國際市場的40%。這就是浙大與舜宇合作的成果，如今我們雙方又成立了研究中心，用以研究新型手機的光學設計；第二個是現(xiàn)代辦公投影儀中的光學元件，有‘浙大技術基因’完成的光學元件，占全球市場的80%；第三個是全球監(jiān)控相機市場中，有‘浙大技術基因’完成的光學元件，占全球市場的70%?！?br/>
“你只有跟民用緊密貼合，你才是真正地活著，解決了產(chǎn)業(yè)化的問題，你就能活在社會當中。” 這正是浙大光電科學與工程學院的發(fā)展思路。
打造中國的MSCA，共建東亞人才培養(yǎng)教育圈
近10年，我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展，人均GDP急速上升。國家的發(fā)展不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟上，也體現(xiàn)在了教育上。
教育部直屬院校的高等學校數(shù)量，從文化大革命結束時候的幾十所，一躍發(fā)展到現(xiàn)在2800多所，與成為全球高校數(shù)量最多的美國并駕齊驅(qū)。而在2800多所高校中，我國擁有光電系或者光電學院的高校約230所，加上研究生，每年光電專業(yè)畢業(yè)生近四萬人。相比之下，美國只有3所高校擁有獨立的光電學院，每年以光電專業(yè)畢業(yè)的美國本科生不超過百人?！拔覈芯可捅究粕藬?shù)超過了整個歐洲的總和。我們幾乎以一己之力為全球培養(yǎng)了大量的光電后備力量，總量占全球一多半?！?br/>
“我剛進入浙大光儀系學習的時候，條件非常艱苦，實驗設備匱乏，最開始的實驗就是磨玻璃。隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，硬件教學條件有了極大的改善，已經(jīng)不再是制約人才培養(yǎng)的主要因素了。而國內(nèi)高校之間的合作和交流甚少，有些甚至壟斷優(yōu)質(zhì)生源，成為了人才培養(yǎng)的新問題，這不利于我國光學綜合人才的培養(yǎng)，”劉旭指出，“我國科技水平的發(fā)展，最終還是落實到人，必須要打破各高校之間的壁壘，培養(yǎng)高素質(zhì)高水平人才，為我國光學事業(yè)積累堅實的后備力量?！?br/>
在歐洲，一項名為“瑪麗·居里國際智力引進行動計劃” （MSCA）享有極高聲譽。它是歐盟針對成員國之外的優(yōu)秀人才實施的專項資助計劃，旨在通過先進的跨學科、跨領域、跨部門和跨國家的學術訓練，增強科研人員創(chuàng)新能力和創(chuàng)造潛力，支持科研人員學習和轉(zhuǎn)移新的知識和技能。
了解到這項計劃后，劉旭也希望能夠在中國開展類似的人才培養(yǎng)模式，實現(xiàn)各高校和科研機構的教學互通。但是他也坦言，MSCA計劃是在歐盟框架協(xié)議下執(zhí)行的，實際操作和執(zhí)行會比較便利。而我國尚沒有一個指導性協(xié)議，也沒有先例，推動困難巨大?！暗沁@個事得有人去做?！?br/>
當劉旭擔任教育部高等學校光電信息科學與工程專業(yè)教學指導分委員會主任委員、電子信息類專業(yè)教學指導委員會副主任委員時，光電教指分委便召集中國科學技術大學、北京理工大學、電子科大、華中科技大學、浙江大學、天津大學和長春理工大學等六所高校負責人及五大光機所負責人，共同探討中國的人才培養(yǎng)模式，推進落實。
“從6所主要的光學教育學校中抽出兩屆共48名學生組成‘王大珩班’。每個學期在合作的高校中學習，選修這些學校中最好的專業(yè)，最好的老師的課，連續(xù)完成4年的大學生活。學習結束后再去各光機所實習。這種資源整合的教學計劃，既可以打破各學校之間的壁壘，為相關領域輸送優(yōu)秀的后備人才，又可以讓學生獲得最好的教育資源，提升自身本領?！?br/>
目前第一批輪值學生已經(jīng)進入大三階段的學習。下一步，劉旭計劃將“王大珩班”的本科生送到日本濱松學習交流，開展國際間的交流，將這種模式擴展成為文化較為相近的東亞教育圈的人才培養(yǎng)。
第一批“王大珩班”同學于浙大合影（圖中為浙大光電科學與工程學院院長劉向東（第二排左五））
光學學科會長久地存續(xù)下去
“光學與其他的工科不一樣，它涉及很強的基礎物理學問題，也涉及太多人類未來的東西，從這一方面來說，光學的任何一個大的突破，都可能會對人類的發(fā)展和變革產(chǎn)生巨大的影響。所以光學這個學科會長久的存續(xù)下去?！?劉旭說道。
誠然，21世紀是光的世紀。智能機器人、手機中的光芯片、傳統(tǒng)制造業(yè)中的激光加工、智能醫(yī)療診斷、現(xiàn)在的5G，未來的6G等等，都有光技術的身影，并作為主導的傳播媒介。尤其是在疫情肆虐的環(huán)境下，數(shù)字網(wǎng)絡無疑成為了工作和生活主要工具，即使不出家門，也可無國界交流，即時獲得國內(nèi)外的海量數(shù)據(jù)，而這其中光通信技術更是無可替代。還有可折疊時空的量子信息技術，正在開啟新的機遇之門，成為全球信息化戰(zhàn)爭的新戰(zhàn)場。
光子技術的無處不在。圖源：浙江大學出版社出版的晝馬輝夫著作《21世紀的光子學》
“這些以光為主要傳輸媒介的技術發(fā)展到最后，帶來的變革很可能是具有顛覆性的，會讓我們?nèi)祟愔匦聦徱暋⒄J知自己，認知這個世界。這倒讓我想起老晝馬（晝馬輝夫）的那句話：光是物質(zhì)的膠水，把光發(fā)展起來了，你才能真正的認識物質(zhì)的本質(zhì)。”
結語
“我們的學生正處在一個很好的時代，經(jīng)濟快速發(fā)展，物質(zhì)條件富足。作為學生，要打破范式禁錮，擁有獨立的人格和獨立的思想。因為當你成為這個世界上‘唯一’的時候，你才能獨立的思考社會應該發(fā)展的方向和他應該擁有的社會形態(tài)，站在更高的角度，明辨是非，不為各種輿論、利益所誘惑，而真正為著你的人生價值去奮斗。”
采訪最后，劉旭對學子們提出了這樣的期盼。正如他在浙大教師個人主頁中介紹自己的那樣“一名教師，一名希望與年輕人共創(chuàng)明天的老師。”他的所學、所做、所想，最終都是為了更好地培育光學人才，積蓄光學“后浪”。
延伸閱讀：一脈相承的世界光學發(fā)展軌跡
在采訪中，劉旭教授還分享了世界光學發(fā)展的軌跡，頗為有趣，筆者將此處作為延伸閱讀分享給大家。
1590年，荷蘭人研制出了世界上第一臺復式顯微鏡；1609年意大利的伽利略發(fā)明了第一臺天文望遠鏡；1678年，英國的胡克發(fā)現(xiàn)了胡克定律；1687年牛頓定律問世……但是這些成就很快便在當?shù)貨]落了，真正傳承下來的只有德國。
做光學鏡片的卡爾?蔡司、完成了大部分光學成像設計理論的恩斯特·卡爾·阿貝和做玻璃的奧托·肖特組成了絕配，在德國耶拿（Jena）成立了蔡司公司。德國的精密光學便從這開始迅速發(fā)展起來，他們也成為了現(xiàn)代系列光學的鼻祖。
二次大戰(zhàn)后，德國被分為東德和西德，耶拿劃歸為東德。美國在東西德快分開之前，從耶拿轉(zhuǎn)移了一批科學家，至此，美國光學工程開始發(fā)展；蘇聯(lián)占領了東德，將東德的光學技術轉(zhuǎn)移到了蘇聯(lián)的列寧格勒（現(xiàn)在的圣彼得堡），成立了光學研究院，蘇聯(lián)的光學工程也開始發(fā)展；尼柯爾（尼康的前身）聘請幾名德國光學技師，成立了日本第一家光學企業(yè)，開始生產(chǎn)鏡頭。
而我們其實也算是一脈相承?！拔煨缱兎ā敝螅逭沙龅牧魧W生正是留學德國，帶回了德國光學思想，撰寫著作、開辦兵工廠、組建教學課堂，形成了現(xiàn)代中國光學體系的雛形。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
