空间光学薄膜上的舞者
——记中国科学院上海技术物理研究所研究员刘定权

2019-12-31 05:43李晓文

科学中国人 2019年22期

李晓文

偏爱“数理化”顺利走进光学薄膜世界

战国秦地，曾有三国蜀建兴七年诸葛亮筑城于此；历时近30年，出使西域开辟了丝绸之路的张骞，生于斯长于斯；经历千年风雨沧桑，低坝拦河灌溉工程五门堰，至今润泽一方百姓。这里是北依秦岭南麓，南屏巴山北坡，中纳汉江平川的陕西汉中城固。1964年，刘定权出生于此。

从小的记忆里，刘定权抹不去的是穿城而过的汉水和学校里安静而平淡的日子。他的父母是中学老师，他就跟着父母在学校里长大。“我记得有一间小房子，前面是批改作业、办公的地方，后面拉一个小帘子，放了一张床。帘子后面的世界，就是我的生活空间。我经常会听到父母和孩子们说作业的事，什么地方做得好，什么地方做得不好，时间长了居然记住了不少。课间的时候，我就在学校的院子里玩。”回忆起童年的生活，年过半百的刘定权满脸的幸福，“那时候无忧无虑，觉得学校就是一切”。

打小聪明的刘定权对数理化很是感兴趣。改革开放后，各地恢复了高考。刘定权自然也就走上了参加高考、读大学的路。1982年，他顺利进入西安交通大学的电子工程系电真空专业学习。用刘定权的话说，“学习无线电、电子等理工科的专业成为必然的选择，是自己一直努力的方向，进入电真空技术与器件专业为后来研究真空薄膜做了铺垫”。那时候的高等教育参照苏联模式，西安交通大学的专业划分也较为细致，学校和系里的许多老师是随交通大学西迁到西安的，里面有很多著名的教授，都是这一领域的顶尖专家，在这样的环境里学习他感到是“幸运的”。

一入校，校长的讲话就鼓舞了年轻刘定权。这句话和“研究型大学”有关。刘定权说：“当时是第一次听到‘研究型大学’这个词汇，我的第一反应是自己应该在研究领域做一些工作。”因此，刘定权努力的方向一进大学校门就暗下决心，希望成为一名科研工作者。大学毕业后，刘定权顺利进入中国空间技术研究院攻读电子离子与真空物理专业，并于1989年毕业后进入了中国航天部第五研究院五一〇研究所，从事真空薄膜科学与技术方面的研究工作。

“离开西安交通大学的时候，班主任老师跟我说，‘科学研究是一条非常艰苦的路，你要有思想准备’。”刘定权对当时的画面记忆犹新，“当时，我没觉得有什么。可是后来，随着科研的深入，我对这句话的理解就越来越深刻——做科研的过程，就像在深水井中摸石头，摸着一个，觉得好像问题已经解决了，再往下摸，还有一块石头，就这样一块一块摸下去……”

在之后30年的科研生涯中，刘定权一直从事薄膜技术与光学薄膜方面的研究工作，先后主持完成了30多项国家空间工程任务中的光学薄膜的系统设计和研制任务，在红外光学薄膜研究及其空间应用等方面取得多项开拓性研究成果。

识别目标贵在“认清”光学薄膜技在“精准”

2001年，刘定权和妻子回到年迈老人身边，进入中国科学院上海技术物理研究所工作。让刘定权没有想到的是，上海技术物理研究所专门开会研究他和妻子调动工作的事，研究所打破常规，同时将夫妻俩作为引进人才安排到研究所工作。上海市人事局还专门发了人才引进的具体红头文件。“我拿着文件到上海市公安局虹口分局办理落户，只用了不到两分钟，花了6块钱，就拿到了3个人的户口，户口本拿到手里，还是热的。”这让他深深感受到，一个快速发展的城市对科研人员的厚爱和研究所对人才的重视。现在，“3个户口6块钱”的故事还常常被刘定权记起。

来到上海之后，刘定权的研究领域也重点聚焦在光学薄膜上。

“唐僧师徒四人为取真经，行至白虎岭前。在白虎岭内，住着一个尸魔白骨精。为了吃唐僧肉，先后变幻为村姑、妇人、老父，全被孙悟空识破，并全部打死。但唐僧却不辨人妖，责怪孙悟空恣意行凶，连伤母女两命，违反戒律……”沉浸在薄膜世界的刘定权，总喜欢讲述薄膜的故事。他说，“为什么大家都知道孙悟空打的是妖怪，唯有唐僧被蒙在鼓里呢？原因是唐僧没有光学薄膜滤光片，所以他只能看表象，看不到图像的本质。”这个光学薄膜的作用，就是帮助人们透过现象看本质的。透过光学薄膜实现的精确光谱，可以看到物体特征甚至物质结构。

2016年8月16日凌晨，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉成功升天。中国由此成为世界上第一个在卫星和地面之间实现量子通信的国家。“卫星研制中，最困难的环节就是有效载荷。”中国科学院院士潘建伟坦言。而刘定权所在的中国科学院上海技术物理研究所正是量子卫星载荷总体单位，4个有效载荷中的两个——量子密钥通信机和量子纠缠发射机，由他们研制。

“从卫星到地面的单站密钥分发，相当于从安徽打一束光到北京，必须精准到哪一扇窗。量子纠缠分发，是卫星要向相隔1000多公里的两个地面站发送纠缠光子对，这一精度要求是目前国际上最高的，相当于在1万米高空的飞机上同时向两个储蓄罐扔旋转的硬币。”该卫星研制的科学大师这样阐述两个难题。

在此项任务中，刘定权和他的团队承担的项目自然与光学薄膜有关。“量子卫星载荷的偏振精度要求控制在0.5%以内，这样才能确保信号编码‘不走样’。光子通过光学元件表面时状态会发生变化，这就需要光学薄膜去保持和控制这些状态，对几十片不同功能的光学薄膜元件进行分别和系统化的精确叠加设计，并在薄膜生长过程中进行精准控制，实现相位和光谱的精确调控。”当时团队的压力和责任都很大。

光子从产生到发射向地面，要经过几十个光学表面，每一个表面都可能使它的状态发生改变。如何让它顺利穿过仍然状态如初？“想让光子保持相位不变，能量损失尽可能小，需要靠薄膜来实现光学元件的功能并维持光子需要的状态。这些薄膜在真空中一层一层镀上去，多的时候达到上百层，每层的厚度需要精确到纳米，误差不能超过0.1%”。研究团队经过两年多研究，仅样片就用去了几千个。最终，他们在技术和工艺上实现了突破，利用周期和非周期的微纳光学薄层结构，实现了可见光和近红外区域的光子态控制与光谱路径分配，单个元件的偏振对比度达到5000∶1以上，载荷的系统偏振对比度达到3‰，这些工作为量子通信领域的科学家实现星地间量子通信试验提供了技术支撑。

在其他项目的研究工作中，刘定权研究团队在单个元件上实现了达到了400多层光学薄膜的精确生长，每一层的误差不超过1%，这是一个薄膜上的舞者的姿态、水平和态度。上海技术物理研究所的光学薄膜与材料研究室也成为我国空间光学薄膜领域的一个领军团队。统计数字显示，我国空间光学遥感仪器的红外滤光片，多来自这个研究团队。

装备风云系列卫星只为天气预报更贴心

2012年7月21日至22日8时左右，北京及其周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害。从21日9时30分开始，北京气象台连发6次预警，暴雨从蓝色升级为橙色，局地降雨量接近500年一遇。恰巧这个时间段内，刘定权坐晚上的飞机飞到北京，抵达首都机场时已经接近零点。当他走出航站楼，傻眼了，“整个机场，一辆大巴都没有，出租车也没有，就连私家车都看不到，整个广场都是人。一直等到凌晨一点多，才陆续有大巴过来接大家到三元桥”。这时，刘定权才得知北京暴雨使得立交桥、隧道积满了水，影响了交通。到了三元桥，刘定权发现“附近的旅店已经爆满”。后来，刘定权只能在齐腿深的水里行走，差不多半个小时才找到一辆可以拼人的车，把他载到中关村住下来，此时天已经快亮了。“其实，这一系列事件的深层原因，与天气预报不够及时和精确有关。”当时的刘定权，心里有说不出的滋味，“光学薄膜在气象卫星中应该发挥出更好的硬件作用”。

登山途中

之所以把天气预报与光学薄膜材料联系起来，是因为关系到天气预报是否精准的数值预报与风云系列的气象卫星的光谱数据有关。以“风云三号”气象卫星为例，刘定权带领他的科研团队，采用高级次原位光学监控和温度补偿技术，成功研制出了可应用于空间环境的红外低温超窄带系列滤光片，应用于“风云三号”气象卫星红外分光计、中分辨率成像光谱仪等仪器中，实现了气象卫星对地面和大气层的精确光谱观测，也实现了对大气层的立体探测，后来的“风云四号”气象卫星干涉式成像光谱仪使得立体观测更加精确与完善。为了实现精确的光谱，滤光片在研制过程中通过规整与非规整膜系的交替使用和优化设计，实现了带通滤光片光谱的近似矩形化，红外滤光片在低温下光谱保形良好，为新一代气象卫星获取更加精确的光谱能量数据，提供数值化气象服务奠定了技术基础。

刘定权告诉记者，从“‘风云二号’气象卫星开始，光学仪器大多都由上海技术物理所研制。‘风云二号’作为高（静止）轨道卫星，共有9颗，从01星到08星，都定位在我国对应的赤道上空，为我国和周边国家提供气象服务。为了给‘一带一路’沿线国家提供精准的气象服务，现在09星放在了中东地区对应的赤道上空”。

经过10余年的努力，由光学薄膜与材料研究室研制的数值量化的光学滤波器，为国家高水平的数值天气预报服务提供了专业的技术支持，我国也实现了与国际先进气象数据的接轨。刘定权说：“现在，我们国家拿出去的气象数据，已经能够在国际气象会议上与发达国家的气象数据完全对上了，有时候我国的数据比他们的还要好一些。”

截至目前，除了为风云系列气象卫星提供精密光学薄膜元器件外，光学薄膜与材料研究室还为海洋遥感卫星和其他一些空间光学遥感载荷研制了系列的精密光学薄膜元器件，并在实际应用中取得了良好的效果。

追求极致科研让系统无懈可击

2002年3月25日22时15分，“长征二号”F捆绑式火箭在酒泉卫星发射中心将“神舟三号”飞船成功送入预定轨道，在轨飞行6天零18小时。而在“神舟三号”上使用的图谱合一遥感仪，就有光学薄膜与材料研究室研制的长波带通微型低温滤光片，助力我国首台85K低温红外探测仪成功获得了与同期NOAA卫星相当的地球辐射红外扫描图像。

21世纪是海洋世纪，海洋的开发和可持续利用是解决当今全球资源短缺、人口膨胀、环境恶化的重要出路之一。作为海洋探测的高科技手段，世界各国都非常重视卫星海洋遥感应用。而海洋卫星用于大尺度的海洋观测，携带的水色仪是重要的观测仪器。刘定权和他的团队在海洋1-B和1-C卫星水色仪的研制过程中，承担了精密光学薄膜的系统研制任务。这些精密又复杂的光学薄膜在实现光学能量高效传输和光谱精确控制的同时，将系统的偏振灵敏度控制在2%以内，为海洋遥感数据的有效获取提供了技术保障。

在老一辈科学家奠定的基础上，这个研究团体在红外甚长波超窄带薄膜的设计与制造、红外低温数值化薄膜元件、特种红外光学薄膜材料研究等方面成绩突出，红外光学薄膜领域达到和保持了国际先进水平。

目前，这个研究团体已经在光学薄膜与技术、固体光学性质、半导体材料晶体生长及组合材料学、红外光学薄膜的能量与光谱调控技术研究、光学薄膜技术及其工程化应用、光学薄膜器件制备及测试技术研究等领域，达到了国际先进水平，在SCI、EI、ISTP的等发表学术论文100多篇，先后获得授权国家发明专利40余项。

从1964年成立至今，光学薄膜与材料的研究在这个研究室已走过65年历程。近年来，这支知识、年龄层次结构合理的科技创新团队在刘定权研究员的带领下，承担和参与了国家重大专项、国家重点基础研究发展计划项目、国家自然科学基金项目、中科院先导项目等，先后获得了国家科技进步奖、中国科学院杰出成就奖、上海市科技进步奖等多个奖项。

交叉科学领域光学薄膜未来更可期

在太阳能的热利用中，辐射能转换为热能是一个关键。光伏发电受转换效率的限制，再加上电压波动，效果总是不够理想。如果运用光学薄膜，可以把95%以上的太阳能收集起来将其转化为热能，热能可以直接利用，也可以结合工质驱动发电机器将热能转化为电能。这样可以提升太阳能的综合利用效率和稳定性。

与学生合影

热控被分为主动式和被动式两种。主动式，是利用各种制冷和加热设备对建筑物、汽车，甚至航天器的热场进行控制；被动式，则是利用热控功能薄膜等对不同波长的光波进行反射、透射与辐射特性进行能量调节。在被动式中，可以利用太阳光谱与物体红外辐射波长位置之间的差别，设计热控制功能薄膜，实现低能耗的温度控制，在节能、交通工具和空间活动中都有重要意义。

激光信号具有良好的单色性，空间激光通信是未来通信发展的方向之一。通常情况下，激光信号经过远距离传输后，容易受到背景光和大气扰动的影响，为了减少这些影响需要用到通带宽度只有几十皮米（1皮米=10-12米）的滤光片，这在技术、材料、设计和测量等方面都存在挑战。

目前，这些科学和技术问题是科学家们正在关心的话题，也是这个团队的研究方向之一。

现代科学技术的不断发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠及性能要求越来越高。为改善红外光学膜层结构，提高性能，他们经过长期的努力和研究，使得工艺简单、广泛用于红外光学薄膜制备的热蒸发镀膜技术不断改进和发展。例如，通过对真空中蒸发气流的导向控制，在大尺寸光学窗口的边缘和侧面实现了金属封焊膜层的沉积，保证了光学增透膜的洁净与牢固，为大尺寸光学窗口的封焊创造了条件。同时，在红外焦平面技术、“风云二号”气象卫星扫描辐射计、环境与灾害监测预报小卫星星座红外相机等项目中，均取得了可喜的成绩。