高妍+毛艳玲

采访开始，张书练先递给我们一页纸，上面列出了15本国内外现用激光原理书籍，并标出了关于激光特性描述的页码。这些书中，都把激光特性写为“单色性（相干性）”、“方向性”和“高亮度”。

“这是一个佐证。目前主流激光文献普遍存在一个问题。爱因斯坦描述受激辐射时说，激发光子和因激发而辐射出的光子‘同频率‘同方向‘同相位‘同偏振。相比爱因斯坦的预言，偏振被忽略了。我过去近30年的工作，就是把激光器内部的偏振补上，未知就是冲锋号。”张书练开门见山地说。

张书练，清华大学精密仪器与机械学系教授、博士生导师，多年从事激光器及精密测量仪器研究，尤其在激光器的正交偏振效应和应用方面做出了突出成绩。

激光器正交偏振是指激光器两个相邻的频率的光具有互相垂直的电振动方向（即偏振状态），它来源于物理上一个很普遍的效应—双折射。“一切光学材料和光学元件都有内应力，其最突出的表象之一就是双折射。除了可称之为双折射晶体材料外，双折射还存在于一切光学玻璃元件中。而激光器又是光学元件的集合。一旦要求激光器的功率高度稳定，光束高度相干，激光器内的双折射和激光器中的正交偏振的影响就应该加以研究了。”

正是基于这一认知，张书练带领课题团队围绕激光器的正交偏振，从现象—原理—器件—应用等多个层面开展了长期、系统的研究工作，全面揭示了相关物理现象；同时，他以这些现象为原理，研制成十余种国内外独有的精密测量仪器用于超精密测量，已经在教学实验、科学研究和工业生产中实现较为广泛的应用，社会效益显著。

凭借这个“创新性的、从基础研究到应用研究的较为系统、完整的学术体系”，和一系列不可替代的仪器产品，张书练带领课题团队在一个传统认为比较狭窄的领域，开拓出了一片广阔的天地。

到现在，张书练已发表论文350余篇（约200篇被SCI收录），获得专利60余项，出版中文专著《正交偏振激光原理》和英文专著《Orthogonal Polarization in Lasers： Physical Phenomena and Engineering Applications》两部。

突破传统，交叉学科谱新章

上世纪60年代中期，清华大学在四川绵阳建立分校。作为精仪系光学专业的学生，张书练随校远赴绵阳，直到后来留分校任教，考研，读研，他一直在光学、激光领域学习、工作。

60年代末70年代初，周炳琨院士创建激光专业。因为光学与激光相近，张书练被纳入电子系激光队伍，搞了六七年激光研究。1978年，为了充实自己，张书练参加“文革”后第一届研究生招考，被清华北京本部精仪系录取回到了北京，毕业后又在精仪系任教。

在电子系，学的、研究的、讲的课都是激光。在精仪系，机械是基础，每天接触到的是制造、测量。在两种学科知识的熏陶下，张书练的思维方式表现得越来越与众不同，“我更容易把激光的问题和测量问题联系到一起”。

长期以来，在精密测量领域，激光器就是一只“高质量的灯泡”，做光源使用。“做激光器的人不管测量，做测量的人不管激光器内部原理的事，而我就总爱拿激光器做文章，研究激光器里的问题，看能不能利用激光器的内部特性实现高精度测量的要求。”

正是这种交叉学科的知识储备和思维上的跳脱不羁成就了张书练的独特，他利用自身优势，摆脱了传统思维的限制，通过改变激光器的内部结构，使激光器本身成了能够用于测量的传感器，且拥有优于传统测量仪器的性能。也就是说，在张书练这里，激光器自身就是传感器，传感器本身就是激光器。

说起来容易，做起来难，特别是在这种研究很少甚至空白的领域。在最初的很长一段时间里，资金欠缺，人员不继，再加上周围质疑的声音，张书练的每一步都十分艰难。

“好在我们没有放弃，又得到多位前辈的支持，我们走过来了，而且不断有新的东西出来。”从上世纪80年代开始，张书练稳扎稳打，不疾不徐，逐步展开，用青春和汗水将那个小小的幼苗，浇灌得枝繁叶茂。

“激光器的基本结构很简单，由三个元件组成，就是两个反射镜，和它们之间的一块（或一根）激光放大物质。”“但一旦牵扯到激光放大物质，物理现象就会变得复杂多样。”张书练发现，在激光器内置入双折射晶体（石英，KDP）会出现奇妙的激光现象；他还发现，置入激光器的透镜、棱镜、窗片甚至激光器反射膜的内应力（双折射），也对激光器的输出光束性质产生重要影响。最突出的就是会使激光器发射的一束光内含电场互相垂直的两种光成分，就是所谓正交偏振。为了透彻、全面地了解激光器正交偏振现象，他带领研究组开始了研究，先后有60多名教师、博士后、博士生、硕士生参加。

他们不断改变激光器的结构—

在激光器内部（即两个反射镜之间）加入一个双折射元件，加上激光放大物质，使其构成激光四元件系统；

在激光器外部光路上放置一个双折射元件，再加一个回馈镜构成五元件系统；

再将上述两种系统组合成六元件系统；

在这一过程中，他们变换双折射的方向、强度，使用不同的固体、气体激光材料……

每一个元件的增加，都会引起激光物理特性的变化，都有新现象发生。在很长一段时间里，他们对照一般激光器，逐一研究双折射对气体、固体激光器的偏振、频率、线宽、功率及稳定性等影响，不断尝试，总结发现了20多个含双折射的激光器才有的或显著加强、影响重大的特性，如正交偏振、回馈偏振跳变、强度竞争，相位延迟等等。

作为发现的部分现象的推广，他们构建了大学激光原理基础实验系统，可观察到以往不能观察的模分裂、模竞争，正交偏振等现象，使实验达到了新的高度，得到北师大、首都师大，哈工大、西安理工大学、昆明师大、四川大学等多所学校的高度认可。

频频出新，个个独一无二

因为选择了一条别人从未走过的路，所以他们的脚下注定步步生花。基于对激光器正交偏振现象及其物理特性研究的成果，张书练带领团队发明了十余个独一无二的精密测量仪器，并逐步推广应用，一步步朝产业化稳步迈进。

物理学中，七个基本物理量度量世界，第一个就是长度。所谓纳米时代，纳米的“大小”就是由激光干涉仪测定的，大规模电路的纳米线条亦是。张书练的仪器就主要是纳米精度的测量，包括测量位移、距离、相位等，但都采用了自己提出的原理。

张书练课题组在激光器内置入双折射光学元件，使一个激光纵模分裂成两个偏振正交、间隔可调的频率，频差可从40 MHz到1千MHz选择，并据此发明了频差大于40 MHz的双折射双频激光器。

在双折射双频激光器上施加横向磁场消除模竞争，发明了双折射—塞曼双频激光器，其功率可保持1毫瓦，频差在500MHz的大范围内自由选择，解决了重大仪器“双频激光干涉仪”无满意光源可用的难题。

以此双折射—塞曼双频激光器为核心器件发明的双频激光干涉仪，不因频率差的增大而影响功率，成为测速高、功率也高的双频激光干涉仪。

基于正交偏振激光器谐振腔长度改变（调谐）时依次出现的三种偏振特性，发明了测量位移的激光器纳米测尺。激光器自身即位移测量传感器，结构简单成本低。在12毫米量程内，它能够测量出79纳米的微小移动，线性度达到十万分之几。此外它还具备一个显著的优点—自校准，即它能够自行校准自己的“刻度”，而不像其他传感器需要上一级仪器校准。

世界最高精度的光学材料相位延迟测量仪器也是出自张书练团队之手。光学相位延迟是材料内应力、双折射和波片质量的表征。经过十余年研究，运用激光器频率分裂效应“激光器输出的频率差和其内的相位延迟成正比”的基本原理，先后攻克了频差死区、频差调谐异常、自身相位延迟、环境温度漂移等难题，研制出激光频率分裂双折射/波片测量仪，并实现自溯源到长度基准—激光波长，使“测量”成为“计量”。

该仪器精度可达万分之一波长，是世界上最高精度测量任意大小相位延迟的仪器。“小可到元件加工造成的内应力，大可到四分之一波片、半波片和全波片相位延迟。”可用于测量国内外同类仪器不能测出的极微小内应力，如光学抛光中形成的内应力，也可以进行常规镀膜的光学元件和波片测量。同时，测量过程自动化，除取放样品外，无需人工操作，15秒内自动完成测量。

该仪器逐渐成为不可替代的光学元件微小内应力和光波片相位延迟的测量设备，在产品质量控制过程中发挥了重大作用。2011年，相关研究成果汇总而成的“波片相位延迟测量装置的校准方法”被国家标准局批准为国家标准。这是世界上第一个波片测量标准，有望统一国内乃至世界的各种波片测量方法。相关项目“光学元件内应力、双折射和光学波片相位延迟测量的新原理和仪器”获2010年度国家技术发明二等奖。

特别值得一提的是，他们还研制成功了国内外第一台以激光回馈（被测目标把激光束反射回激光器内）为原理的纳米分辨率的固体激光回馈干涉仪。它最大的特点就是能够无接触地测量微、轻、薄、黑、烧红等目标的移动量，以及水、酒精等液面的位移和高度变化，是目前国际上唯一完全不需要在被测物上加附件配合的干涉仪。“比如监测航天相机的支架和镜面变形，就可以用我们的干涉仪，不需要在相机上加任何附件。加附件会引起相机形变。”目前该仪器已经开始产业化，已在美国圣路易斯华盛顿大学、合肥工业大学、上海理工大学、北京理工大学等处应用，使用情况良好。

在这些之外，张书练的实验室还有很多世界首台，同时，他的脑子里还装着太多想要去研究的东西，“我们可能缺别的，但从来不缺新的思想”。

坚定信念，现下绝非终点

张书练常常对学生说：“不要争论，不要管别人说什么，专心做自己的事。”

正是凭借这种信念，张书练才能够在他的仪器原理常常不被理解的情况下，坚持到今天。从现象到原理，到仪器，到应用，张书练带领团队围绕一个点构建了一个面，形成了一个相对完成的体系，呈现出了激光器正交偏振的全貌。

在张书练看来，对目标的正确选择和不懈坚持，正是一个团队带头人最重要的品质。“必须下定决心走自己的路，把一件事当成自己的终身事业来做。可是走自己路的时候别人并不一定认可。新的学术观点，新的原理往往受怀疑。如何坚持下去，就是一个带头人要经受的困难和考验。”

张书练认为，评价一个研究人员的价值，“不是说了多少话，关键是你有没有上书架，有没有上货架”。显然，“上书架”的目标已经实现，而且是他自己的研究成果总结成书。现阶段，张书练正在争取更多、更大规模地“上货架”。

事实上，张书练团队的大名已经在多年的研究过程中名扬国内外，大家都知道他这里有独一无二的好东西。不少人找上门，请他帮忙测量。更有些时候，当仪器还只能称为样机的时候，就有人慕名上门寻求测量方面的帮助了。也有不少单位买了张书练研制的仪器，有美国、德国的大学和公司，也有韩国的公司。国内某单位使用他的仪器测出了现有仪器都不能测出的光学加工产生的极微小的应力，解决了大问题。“行家识货，用户买货，不必在意局外的评说。” 张书练说。

盘点自己手里已经具备产业化条件的十几类仪器，张书练也在认真实施产业化的事宜。他希望国家的投入有所产出，希望自己和团队的成果能够在国内外推广，产生越来越大的经济效益和社会效益，能够得到更大范围的认可和肯定。

他也曾感慨，“在激光理论和技术发展到如此高度的今天，居然留下如此一块科学空地让科学家去发掘。”而自己有幸误打误撞进入了激光器的“内部”，闯进了这片天地，就一定会坚持下去，努力让这片空地绿荫满天。至于人们的质疑，他并不争论，他坚信时间会给出最客观的结论：“我们的发现、发明都有文章，专利，也都系统写进专著里去了，国内外谁都看得见。”

爱因斯坦说；建立一种新理论不是毁掉一个旧仓库，在那里建立起一个摩天大楼。它倒是像爬山一样，愈是往上爬愈能得到新的更宽广的视野，并且愈显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外的联系。但是我们出发的地点还是在那里，还是可以看得见，不过显得更小了，只成为我们克服种种阻碍后爬上山巅所得到的广大视野中的一个极小的部分而已。

显然，张书练课题团队就是在攀爬一座高山，路途注定坎坷，顶峰不可预知，但目前能够百分百确定的是，30年的努力攀爬之后，他们的“出发点”确实已经成为了“广大视野中的一个极小的部分而已”。