光的思考者——记北京师范大学物理系教授刘大禾

本刊记者 黄雪霜 杜玲娟

巴尔扎克说：“一个能思想的人，才真是一个力量无边的人”；

笛卡尔说：“我思，故我在”；

韩愈说：“业精于勤而荒于嬉，行成于思而毁于随”；

……

古今中外，思考一直是人类文明进程中的一道智慧之光，谁善于运用它，谁就拥有打开科学世界大门的钥匙。在神奇的光学探寻世界里，有这样一位以善于思考著称的科学家，他能将“每一点‘灵感’都化为‘理想’”，他能“求新立异，点亮‘光学’世界”，他科研生涯中所创下的一个又一个突破性成果，为学界和各个媒体所肯定和赞扬。他就是北京师范大学物理系刘大禾教授。

我思，我在；我在，我思——尽显布里渊散射神奇魅力

布里渊散射？这一在许多普通人看来抽象难懂的名词，在刘大禾教授看来如日常饮食，再熟悉不过。它是刘大禾教授最具代表性科研领域。

在加拿大

布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动。“我做的是水中的布里渊散射。即使是一杯水，某一个点的折射率也会随着温度和压力的变化而变化。这种涨落会向四周传播，形成声波。这个波有一个个波振面，就相当于一面面运动的‘镜子’。如果一束光射到水里的这些‘镜子’上，就会由于镜子移动而产生多普勒效应，从而使反射光的频率发生变化，也就是说你看到的散射光和实际入射的光之间是有频移的，这就是布里渊散射。”用通俗易懂的语言，刘大禾解释了他的主要研究对象。

别看解释得通透熟络，但谁又能想到，与布里渊散射“结缘”，刘大禾有一段从“门外汉”到“槛内人”的传奇经历。最初，刘大禾学习和研究的主要方向集中在光学全息和信息光学方面。1990年，他前往美国学习、工作，这才开始接触了激光雷达领域的相关研究。1992年，他又以交换学者的身份，被公派至加拿大Laval大学光学中心从事光学信息处理方面的研究工作。在那里，刘大禾产生了改变研究方向的想法。1994年，受到美国Texas A&M大学的邀请，才开始了他在布理渊散射领域正式地科学研究。

起初刘大禾参与布里渊散射课题，只是看到别人遇到难题挺身帮忙。没想到，这个帮忙的人却做出了他人没做出的结果，令导师颇为满意。机遇就这样在一次偶然中瞬间开启，布里渊散射研究大门由此向他敞开，而大门里奇异丰富的内容不由自主地刺激他思考的神经，吸引他不停断地向前去探索。

在项目研制过程中，刘大禾发现有某个元件需要高额的资金投入。美国需要10万美元，俄罗斯需要5万美元。能不能通过降低成本来提高技术的实用性能呢？刘大禾思考着，为此，1996年初，他专门回国内攻关，最终仅用5万元人民币就完成了这个元件。这次大获成功为他今后继续坚定从事布里渊散射研究奠定了基础。

回国期间，刘大禾得知海洋科学被列为国家“863”计划中一个单独的领域。“布里渊散射的光谱特性与多个海洋参数有着直接的联系。能不能将布里渊散射用于海洋监测，从而发展一种新型的激光雷达呢？”刘大禾思考的神经被再次激发起来，一连串的思考促使他最终行动：特意回国找到中国科学院和国家海洋局有关单位，向相关专家介绍了自己在海洋实时监测方面的工作，并得到了他们的支持。经过严格的审批和多次答辩，1998年，刘大禾申请的课题“海洋实时监测的激光布里渊散射方法”获得国家“863”计划批准立项。

通过这一“863”项目，刘大禾翻越了一座又一座高山，使布里渊散射在海洋里大放光彩：在国内外首次将受激布里渊散射应用于激光雷达，一改过去海洋监测使用浮标监测存在的测试结果不实时、回收困难易丢失数据、造价成本高等缺点；在国际上首次提出了实时探测水下隐身目标的新概念和方法，这是原理上的创新。且具有非常好的反隐身性能，目前的隐身技术该项探测方法均无任何隐身作用；提出了用布里渊散射实时监测水的体粘滞系数的方法；这是国际上首次用光学方法直接精确测量水的体粘滞系数的报道；并提出了利用受激布里渊散射实时监测海水浑浊度的方法；提出了测量强激光在水中衰减系数的新方法，进而研究了强激光在水中的衰减规律，为提高激光雷达的性能打下了坚实的基础。

除了在海洋之外，布里渊散射的神奇魅力还能应用到什么地方去呢？获得成功的刘大禾并没有停下前景的脚步，相反，他的思考向更广阔的范围扩散：在研究过程中，他发现布里渊散射方法可以应用到血液流变学和血液动力学领域！运用这一研究成果，可以进行血液参数的体内实时测量，以期能够对某些疑难病症进行早期诊断，并对一些疑难病症的成因给出解释。

“我思，故我在”，科学家笛卡尔一句名言尽显了思考的重要性，而对刘大禾来说，思考是他“存在”的价值体现，而他也在思考的过程中寻找到了快乐和成就感。为此，他将继续将“思考”快乐地、不停断地进行下去，“我在，故我思”。

不弃，不舍；不倦，不怠——又获“光子晶体学”创新突破

孔子说：“学而不思则罔，思而不学则殆。”说明了实践、思考、知识三者的之间的关系。深谙此意的刘大禾因此从来没有停止过学习和思考。正因为他对所学所研的坚持，布里渊散射研究之外，他收获了又一份骄傲，即在“光子晶体学”领域所获得的突破。

光学全息是刘大禾最初的研究方向。1997年，在美国做布里渊散射研究时，在阅读材料的过程中，刘大禾发现有人提出用光学全息的方法来研究光子晶体。光子晶体又称光子禁带材料，是一种在光学尺度上具有周期性介电结构的人造材料，在国际科研领域普受重视，多次被列为国际十大前沿研究之一。这一发现引起了刘大禾的兴趣，“我能不能运用自己以前所学来完成这一研究课题呢？”这一想法萦绕在刘大禾脑海里挥之不去，但因当时工作繁忙，被暂时搁浅。

回国后，在研究激光雷达之余，刘大禾抓紧一切可能机会开始着手准备该领域的工作。循序渐进的过程中，他的想法也越来越多。“光子晶体研究中的重要工作之一就是全空间禁带，要做到空间的各个方向都有禁带，按照目前的理论，对材料有着严格而特殊的要求。必须使用高折射率材料，而且技术非常复杂。除非是国际顶尖的实验室，否则都无法做到。

从何处入手才能有新的突破呢？不甘心随波逐流的刘大禾开始了新一轮的另辟蹊径。他给自己设置了一个挑战——用低折射率材料实现全空间禁带。这一次，他想到了光学全息技术，并最终用全息方法和低折射率材料制作出具有真正全空间禁带的三维光子晶体。

对于刘大禾的研究成果，英国Nature系列出版物NPG-Asia Materials 于2008年9月4日进行了专门报道，指出他们为学术界带来了“一种简单的方法来产生可见光波段的全空间禁带”。美国《应用物理快报》审稿人也评价道：“原来，全空间禁带只能在全世界极少数实验室中实现的。利用作者提出的方法，任何一个普通的实验室都能做到，而且是使用低折射率材料。”

“科学的灵感，决不是坐等可以等来的。如果说，科学上的发展有什么偶然的机遇的话，那么这种‘偶然的机遇’只能给那些学有素养的人，给那些善于独立思考的人，给那些具有锲而不舍的精神的人”华罗庚一席名言，正好为刘大禾从研一生广收硕果做了一个最佳的诠释。