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陈益新-集成光学与上海交大的渊源

集成光学与上海交大的渊源 陈益新 集成光学学科的建立及其发展对上海交大在1978年以后重建应用物理系起着如何在传统学科基础上开创新学科的先驱和示范作用。同时上海交大集成光学学科的成就也对我国集成光学、光电子学以及光纤通讯科学与技术以及产业的发展有着积极的推动作用,并在国际学术界产生了公认的影响。   集成光学是一门实验性强的应用学科,在理论方面不仅离不开一般的近代光学基础,也需要新近发展起来的导波光学理论。在实验上当然要建立在传统光学的实验原理和技巧上,同时更需要与现代的微加工技术紧密结合,创新地将已成为应用于集成电路器件的设计和工艺来实现完全新型的光波导器件,从而构成具有各种功能的集成光路器件甚至是集成光路的系统。方俊鑫教授从1979年开始在上海交大并面向上海市先后开讲了高等光学和导波光学,并招收了二十余名硕士研究生,这无疑为上海交大开展集成光学研究奠定了坚实的理论基础和提供了优秀的人才。例如,后来为交大集成光学发展并在国外作出成就的徐敬舆和景星亮等,都是这个班的学生。   上海交大从70年代初也开始投入集成电路微电子技术的研究,建立了一个工艺实验基地,当时称元件车间,也曾为上海地区集成电路产业的发展作出一定的贡献。但后来由于缺乏理论和设计的研究人员,并投入太小,不适应开展规模更大的集成电路的研究,没有形成学科,其进一步发展成了问题。可是这对开展集成光学的实验研究却是天赐良机。如果当年没有这样一个基地,要从零开始建立起一个微加工实验室,经费、时间和人员培训都是要困难得多。   70年代末期,我国开始进入改革开放的新时期,上海交大如何在新时期图新发展,创建新学科应是一个重要途径,但是什么样的学科具有强的生命力和广阔前景,并适合我们的基础和条件,这不是随手可得的,需要大量和及时的信息。适逢我国改革开放政策开始推行,那期间许多美籍校友和华人学者纷纷来华和来校访问和讲学,给我们挑选新学科提供了重要的信息和中肯的建议。其中我感到帮助最大的是田炳耕和张慎四两位。   1979年学校为了重建理科,我从电机系调到了刚开始筹建的应用物理系。但具体创建什么新学科并不明确。那年夏天我有机会去武汉参加了我校校友田炳耕博士有关集成光学的系列讲座。这是一次给我印象很深的启蒙。并与我自1956年以来在交大教学和科研实践中积累起来的学术思想产生了共鸣。我在多年的电气绝缘和电介质物理的教学和科研中已开始觉察到,要对绝缘材料的介电性能深刻了解和更有效地利用。例如对介质击穿的研究,最终就涉及探索材料性能与物质结构之间的内在联系。同时,由于半导体在微电子方面应用的巨大成功,国际上有一些学者和著作中已提出了分子设计和分子器件的构想。但由于当时理论上和实验上的限制,这些设想没有得到迅速实现。我感到集成光学概念和器件的提出,是继集成电路后又一个重大的新技术。因为从微电子器件到光子和光电子器件,在某种意义上看是一种质的超越。因此,虽然集成光学在当时刚起步阶段,对许多具体问题尚不十分清楚,但我相信它是一个有广阔发展空间并具有重大影响的新兴应用科学。值得我们去从事。   不久,在集成光学方面已享有盛名的美籍华人张慎四教授应邀来上海交大讲学,并欣然同意我校的林宗琦与我一起去美国加州圣地亚哥大学他的实验室作为访问学者从事集成光学的研究。我的课题是离子交换和质子交换铌酸锂光波导特性及制备方法,这是当时不少科学家感兴趣的新热点之一,因为这样的光波导可设计成多种光波导器件和集成器件,例如光调制器,光开关和光可调滤波器等。由于那时张慎四教授刚从圣路易斯的华盛顿大学转到加大圣地亚哥分校,实验室要重新建设。这对我却是一个好机会能直接参与新实验装置的建立。我不仅设计了离子交换的加热炉和排风装置,还亲自在机械工场进行加工、装配和调试,直到光波导样品制备和测试。虽然这已是二十年前的事了,但至今回忆起来还历历在目,这样的经验对我后来回交大的教学、科研和实验室建设工作帮助极大。   给我留下深刻印象的一件事是如何坚持和自信地克服研究中的困难。由于我的访问学者时间不长,开始时,我计划先重复一下别人已取得的实验结果,然后在这基础上设计和制备一种新的光波导器件。不料我的实验结果和贝尔实验室发表的结果不同。最初,我总认为在实验中有什么差错,可是经过了近三个月时间日以继夜的反复改变不同实验参数进行核对,但始终表明我的实验结果是重复的没有错。这才使我悟到也许铌酸锂晶体在硝酸铊中进行离子交换的结果可能不是唯一的。这就要求对波导样品进行化学成分和结构的分析。由于我们实验室没有这样的大型分析仪器,只有到洛杉矶附近的加州理工学院去测试,在该实验室帮助下终于发现,我制备的铌酸锂光波导样品中并没有像以往文献中报道的那样有铊离子交换进去,却是锂离子的外扩散。后来这结果发表在美国“应用科学通信”杂志上。在这之前,我往往满足于能重复别人发表的成果,特别在实验方面。所以我常常以这例子告诉学生们,要他们在自己的工作中努力去创新。   1981年以后,我校集成光学教师队伍和学科建设迅速发展和壮大,同时连续在两个五年中承担了多项国家“863”高技术项目,上海市地方科技项目,以及国防科工委攻关项目。其中较有代表性的如集成光学频谱分析器,由于它具有能实时获得许多不同频率的无线电信号,成为新一代电子对抗中的关键器件,又如二维空间光调制器和波导光开关阵列等,这些都是光信号处理系统和光通信系统中不可或缺的重要器件。当时在应用物理系中所占的科研项目,科研经费和成果鉴定都名列前茅。在此同时,也培养了大批的大学本科生、硕士和博士研究生,其中不少毕业生在国内外不同的岗位上做出了优秀成绩。   最后值得一提的是我系举办的与集成光学有关的全国培训班和主持的国内和国际学术会议,对学科的发展和贡献产生积极影响。其中较重要的如:受国家教委委托而举办的“全国集成光学短训班”,受中国电子学会委托举办的“全国毫微加工技术和应用”培训班,受中国光学学会纤维光学和集成光学分会委托主持了两届全国集成光学学术会议。2002年受中国光学学会和美国SPIE学会等委托而承办的”亚太光电子会议”(APOC); 2003年受OECC国际执行委员会委托承办的”光电子与光通信国际会议”(OECC-2003); 2005年又参与了由我校光纤所等四个上海单位承办的第五届APOC-2005会议。这一系列学术交流活动,不仅使我们从中获得及时的信息和动态,而且也扩大了我校在集成光学及光纤通信在国内和国际上的影响。我在美国时,不止一次有人问我:”陈老师,你还记得我吗?” 我真一时记不起来,原来他们都曾是我们集成光学全国短训班的学员,作为教育者这是多么大的欣慰啊。 选自 《上海交大百年物理》, 上海交通大学出版社, 2006

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陶爱珠-建系初期应用物理系的老师们

建系初期应用物理系的老师们 陶爱珠 1978年,粉碎“四人帮”刚刚不久,百废待兴,高等教育迎来了发展的春天。上海交通大学决定恢复理科系,应用物理系于1978年9月正式成立。我有幸成为物理系的党总支书记,参与了筹建物理系的工作。建系之初,一切从零开始,正如有些老师形容的当时物理系几乎处于“四无”状态,即“无明确发展方向、无专业师资、无教材、无实验室”,真是困难重重。然而物理系的领导班子开始了义无反顾的艰苦创业。在以后的日子里,应用物理系三年一个台阶,五年上一层楼,十年在全国工科院校的物理系中占有了应有的地位,在几代人的努力下,应用物理系有了今天的成功。   我和物理系的教职工共同走进了创业开始的七年。今天回忆起来,许多往事历历在目,许多生动的故事如电影一般浮现眼前,仿佛就在昨天。最难忘的是为恢复应用物理系付出辛勤劳动的老师们!   1.千方百计引进学科领航人–方俊鑫教授、蔡建华教授 提到应用物理系,首先想到的是方俊鑫教授和蔡建华教授。可以毫不夸张地说,没有方先生,蔡先生,就没有物理系今天的成功。可惜他们两位都已离我们而去,今天当我追忆他们的时候,依然心酸、心痛,眼泪夺眶而出。   应用物理系刚刚挂牌,1946年–1952年曾在交通大学任教的方俊鑫先生以极大的热忱表示愿为母校的物理系恢复出力。当时他是复旦大学物理系的著名教师,在电介质物理、非线性光学研究上已有建树,复旦大学当然舍不得方先生调来交大任教。   为此我们一次次到复旦大学,从方先生所在的教研室主任到系党政领导、再到学校组织部、人事处请求他们给予我们支持。尽管有时他们讲了一些不好听的话,但为了物理系的发展,我们可以说“都忍了”。同时我们又一次次地拜访方先生,请教他对物理系的学科方向、布局、实验室建设,方先生都一一给予指点。由于暂时无法办理调入手续,我们请方先生当顾问,他立即答应每周来交大工作一天。此事让学校党委书记邓旭初同志知道了,他表示可以用自己的小车接送方俊鑫教授,使方先生大为感动。在方先生做顾问的一年多时间里,他根据物理系原有基础,看准物理界未来发展前景,又考虑交大强大的工科背景,确定了固体光学为应用物理系新的发展方向。还在此基础上开辟导波光学,集成光学领域的研究,建立了实验室。并且制定了激光、固体物理、理论物理、晶体物理大的布局,对于如何处理量大面广的普通物理教学和发展专业物理的关系发表了精辟的见解。更为可贵的是1979年他未正式调来交大,大胆而有预见地一次招收22名学生的研究生班,由于成绩突出,校领导破格同意整个班作为硕士研究生培养。这批学生后来大多数成了物理系的骨干,并出了几任系领导。   从每周一天的顾问,到每周两天来交大实质性工作,直至1980年方先生正式调入上海交大应用物理系,我们为之锲而不舍的努力,虽然十分辛苦,现在回想起来是十分值得的。方俊鑫先生进交大后更加加倍地投入工作,为了系的建设他可谓呕心沥血,忘我工作。在科研上不断开辟新的领域,在教学上满腔热情培养扶持年轻一代,他是应用物理系公认的学科领航人。   我眼中的方俊鑫先生,是长辈,是老师,更是挚友。他和我谈工作,谈生活,谈人生,谈爱好。有时他来办公室交流,有时我到他家去串门,当然谈得最多的还是物理系的发展,学校的发展。方先生曾多次对学校存在的矛盾直面呈书,受到学校领导的高度重视和赞扬,并将此建议转发全校,号召全校教职工学习他的主人翁精神。   方先生对应用物理系的另外一大功劳是,推荐并帮助物理系引进另一位学科带头人蔡建华教授。在方先生的精心策划和安排下,当时已是南京大学教授,年富力强的蔡建华来到母校交大,并与党委书记邓旭初同志见面。为了引进蔡建华教授,我们物理系总支往返于上海南京之间,一次次拜见、请求,一来二往几乎与蔡先生所在的教研室、系领导交上了朋友。我们还为蔡先生的调入从家庭、住房到生活细节都作了贴心的安排。我们的真诚取得了南京大学物理系和南大校领导的理解、支持,蔡建华教授终于引入了上海交大。   来校后,蔡先生满怀振兴母校应用物理系的热忱,立意亲自逐门讲授系的全部课程,从教材到教学方法进行更新和改革,带头讲授热学、原子物理等基础课程,为名教授上基础课树立了榜样。   蔡建华教授才华横溢、思维敏捷、勇于开拓。是中国超导物理研究的开拓者之一,进入交大后他以更大热情投入高温超导研究,取得突出成果,并在全国掀起高温超导研究的热潮。他还开拓了金属超晶格新的研究领域以及涉及平衡及非平衡态统计物理等前沿。   蔡先生对物理系另一重大贡献是推进物理系国内外合作交流。他多次在交大主持全国性的讲习班及国际学术会议,多次应邀出访欧、美、日、澳等国家,将一批青年学者带出交大,走出中国,走向世界。   蔡先生同样是我十分尊敬的教授,又是一位知心朋友。他一生坎坷,十年动乱中几乎丧生。调入交大以后,对于他过去受的伤害,无论政治上、生活上我们都给予深入关心,与他及他的家人我们都能十分坦诚地交换意见,将他们该解决的困难一一落到实处。我们工作最好的回报就是蔡先生对事业发展的投入,对物理系发展的热忱。1988年11月他住院手术后,还从医院多次赶到学校参加学生论文答辩,在病床上批阅学生毕业论文。在生命处于垂危时刻,他想到的还是物理系的发展,含着热泪向前来探望的交大领导推荐中国科技大学的一位博士生导师来校工作。   方先生和蔡先生对应用物理系的贡献将永远记在我们心中。   2.认认真真办实事,发挥广大教师积极性 应用物理系建系于1978年,到1981年物理系已有119人,其中中高级知识分子85人中有66人有各种需要解决的问题。包括夫妻分居、业务不对口、住房困难、“文革”中被冲击的遗留问题等等。平心而论,系总支是学校的一个基层组织,手上很少有实质的资源,再说“十年动乱”刚刚结束,学校资源总的也十分匮乏。面对这些问题,我系党总支、党支部和广大党员满腔热情,细致认真地做了大量过细的工作。除了平时和老师们交朋友、促膝谈心、了解情况外,每年寒暑假走访教师家,送上一份问候,成了我们系的一项传统节目。以诚相待、相互关心成为物理系的一种文化,一种无形的凝聚力。连续几年我们系的骨干走访工作延续到大年夜,感动了许多教师及他们的家庭。对于教师们存在的困难,能解决的尽快解决,一时不能解决的一方面向学校有关部门做专题汇报,争取支持,另一方面向老师说明情况,得到他们的谅解。功夫不负有心人,经过三年努力,我系先后解决夫妻分居19人,住房得到改善44户,“文革”中受冲击遗留的问题基本都得到解决,解除了老师的“后顾之忧”,大大激发了教师的积极性。   首先表现在广大教师发扬了主人翁精神,经常为系及教研室的建设“出谋划策”。1981年底,方俊鑫教授给党总支写了一封信,对系的学科建设、师资培养提出许多积极建议,一石激起千层浪,全系有一半以上教职工通过各种形式对系的建设提出意见。如普物教研室梁子松教师连着给党总支写了三封信,对培养高质量的学生提出了要解决的六个问题,对正确处理教学和科研关系提出六点看法。激光研究室胡齐丰老师在春节期间三次到系领导家中,为研究室和系的学科方向献计献策。   同时,出现了许多为物理系拼搏的感人的人和事。   常务副系主任陈益新老师离开绝缘专业主动加盟物理系。建系之初有大量的日常行政工作,同时他还兼任固态电子学研究室主任,承担繁重的教学科研任务。仅1980~1981年就担任“电介质物理”和“专业外语”两门课,指导研究生3名,主持集成光学、频谱仪及等离子刻蚀等三项科研项目,参加二次全国性学术会议,接待美国访问学者多人。时间不够用,开辟第三单元,甚至“第四单元”,一年中几乎每天晚上都在办公室、实验室,晚上十点半以后才回家,把星期天当星期七。没有暑假、寒假,春节休息几天也作为家访时间。创业阶段的系、教研室的一批骨干,大多数都和陈老师一样超常规地付出,因为有此,物理系才有超常规的发展。   更值得一提是普通物理教研室的广大教师。因为77级、78级两届学生入学时间只差半年,所以造成1979年上半年两届物理课重叠,等于在半年中承担了双份教学任务。1980年学校要求物理课提前10周开课,又出现了1980年下半年两届学生的重叠。1981年学校又要求试行物理课在一年级第一学期开始上课,而且先补18学时的微积分,因而从1979年至1981年普通物理教研室的老师每年有新的任务,每年有新改革。绝大多数老师用加倍的时间备课,翻阅各种参考书,圆满完成学校交给的任务。1982年物理教研室老师又开始筹建开放实验室,自己做演示教具,搞实验录像,花的时间比原来教学多上一倍,但只要对提高教学质量有好处,他们不惜花时间去做。“普通物理”这门老交大的“霸王课”,在恢复物理系的前三年,教学改革取得可喜成果,得到学校肯定。作为品牌课、名牌课的传统一直延续至今。   … Continue reading

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胡盘新–历经40余载长盛不衰的程江版《普通物理学》

历经40余载长盛不衰的程江版《普通物理学》 胡盘新 提起程守洙、江之永主编的《普通物理学》教材,教大学物理的老师恐怕没有人不知道,相当多的国内的工科院校都在使用,或曾经使用过这套教材作为大学物理课程的主讲教材。这是我国第一套有广泛影响的面向工科各专业的大学物理教材,是我国现行的使用时间最长、使用范围最广、发行量最大、培养人才最多的物理教材。本书自1961年第 一版问世以来,已历经5版,长盛不衰。教材现正在修订中。程、江教材是一本为广大师生所喜爱的融先进性、科学性、教学适用性为一体的优秀教材。那么程、江《普通物理学》是怎样诞生的,为什么能长盛不衰呢?下面回顾一下程、江教材的历程。   新中国成立前后,一般所使用的物理教材有萨本栋的《普通物理学》、严济慈的《普通物理学》以及Duff、Sears等英美教材。新中国成立后,为适应恢复和发展国民经济的需要,国家十分重视高等教育事业的恢复和发展,也及时确定了教材工作的基本方针。当时高等教育正在全面学习苏联,因此排斥乃至否定原来选用的英美教材。那时苏联专家杜伯夫为东北老区编写了《物理讲义》,但内容浅而陈旧,而翻译出版的福里斯的《普通物理学》,原为物理专业使用,篇幅又过大,对工科院校不尽适用,于是由交大殷大钧、赵富鑫教授组织交通大学、同济大学、华东化工学院、华东纺织工学院四校教师,合编了一本教材,定名为《物理学讲义》,于1953年完稿、专供四校本科一年级学生使用,并不对外发行。经一年使用后,将书中单位制由C.G.S制改为M.K.S制,修订为第二稿,这是新中国成立后,作为解决各校缺乏使用教材的应急的全国第一本普通物理教材,也开创了兄弟院校联合编写教材的先河,也为今后上海以及全国联合编写教材奠定了基础。   1954年夏,高教部在大连召开会议,审定了教学大纲,(216学时和175学时),又于1955年2月成立了“高等工业学校物理学编写组”,在苏联物理专家巴巴诺夫指导下,编写了《物理学》(初稿),于1956年由高等教育出版社出版。参加全书编写工作的有王谟显(浙江大学)、江之永(同济大学)、殷大钧(交通大学)三位教授,参加部分编写工作的有王志符(大连工学院)、孙瑞蕃(中国矿业学院)两人。这是第一本公开出版的高等工科院校物理教学用书,成为全国工科各校的通用教材。   1958年,中央提出了社会主义建设总路线,号召大跃进目标赶超英国。又提出了“教育必须为无产阶级政治服务,教育必须与生产劳动相结合”的教育方针。学校大办工厂,教师下放劳动,高校“普通物理”课程遭受了第一次冲击。有的学校物理课程取消,有的则与后继课程合并。当时对物理课的指责是“内容陈旧,理论脱离实际,与中学的内容 重复,对问题的阐述蜻蜓点水不深不透、贯彻辩证唯物主义不够”等等。但是物理学作为一门科学,作为工科院校的重要基础的地位是难以动摇的。1959年,上海市高教局出来收拾这“大动乱”的残局,在副局长曹未风教授亲自领导和主持下,召集了上海交通大学、同济大学、华东化工学院、华东纺织工学院以及上海水产学院,成立“上海市高等工业学校物理学编写组”,编写新教材,积极提高物理课程的教学质量。参加编写工作的有程守洙、朱泳春、胡盘新、陈英礼、庄秉贞(交大),江之永、魏墨”(同济大学),周昌寿、秦宝通、黄德昭(化工),陈光清、汤毓骏(华纺)以及水产学院的同志共20余人。经讨论,明确了物理学在高等工业学校课程中的地位和作用,认为它是一门重要基础课,但也要适当满足专业发展的需要,在不影响物理学本身的科学性、系统性、完整性的前提下适当结合专业。经过两个多月的努力工作,以“高等工业学校物理学编写组”的《物理学》为蓝本,结合当时的形势要求,编写了《普通物理学(初稿)》,分上、下两册,于1959年9月由上海教育出版社出版。此书出版后,许多院校教师感到该书在内容和编写方面有一定的优点,但还有许多不足之处,特别在统计物理、固体物理、核物理、量子力学等部分理论较浅,面也不够广。接着,在1959年12月,教育部颁布了“高等工业学校普通物理学教学大纲”(220学时,五年制)。1960年上海市高等工业学校物理学编写组在程守洙、江之永两位教授的主持下,在1959年出版的《普通物理学(初稿)》的基础上,结合1959年部颁教学大纲,吸取了兄弟院校的宝贵经验,采用了兄弟院校教材中的部分内容,于1961年4月修改交稿,同年8月由人民教育出版社出版了《普通物理学》上,下两册,这就是程守洙、江之永主编的《普通物理学》的第一版。这套教材又增加了一些新的内容,如引力场、势能曲线、玻尔兹曼分布,固体物理、基本粒子等。并将物理量的单位,改为M.K.S单位制,电磁学部分也改为M.K.S有理化实用单位制。由于内容加之又加,造成庞杂臃肿,这就是当时所说的“超产书”。   1961年以后,为了纠正“大跃进”时期存在的问题,稳定高等学校的教学秩序,搞好教材建设,教育部提出了“调整、巩固、充实、提高”八字方针。1962年教育部又组织成立了“高等工业学校基础课程教材编审委员会”,程守洙教授担任了工科物理教材编审委员会主任委员,江之永教授等为编审委员会委员。1962年2月,物理编委会在上海召开第一次会议,在1954年及1959年大纲的基础上拟订了物理教学大纲的初步草案,同年5月,教育部在北京召开了高等工业学校教学工作会议,会上复审定稿了“高等工业学校本科五年制各类专业适用的普通物理学教学大纲(试行草案)”。与此同时,编审委员会分别委托浙大王谟显教授对1956年出版的《物理学》进行改编,委托程守洙、江之永教授对1961年出版的《普通物理学》进行改编。后者按1962年审定的试用的大纲进行改编,对基础理论作了加强,对旧版中某些要求过高或偏重具体技术应用的部分内容做了压缩或删减,全书的篇幅较旧版缩减了三分之一。这一版教材由编审委员会全体委员通过会议的形式讨论审定。这就是程守洙、江之永主编的《普通物理学(第二版)》教材。于1964年由人民教育出版社分三册出版。这套教材出版后,对全国物理 教学影响很大,被誉为“这是我国建国以来第一本切合我国国情、具有独特风格的自编通用教材,对稳定教学秩序起了重要作用”。“成为影响面广、质量高的理工科物理教材,成为全国最畅销的科技图书之一”,这套教材所以取得如此的声誉,这与程守洙、江之永两位教授的治学严谨、一丝不苟的工作态度分不开的。   当时出版的工科普通物理教材,都和苏联教材一样,书后不附习题,造成教学上的困难。程守洙教授就组织上海交通大学等十校合编了《普通物理学习题集》。此习题集于1961年由人民教育出版社出版。文化大革命期间,中国教育受到极大的破坏,大学的“物理”也难以幸免,不少学校把物理课停开了,物理教研室拆散了,物理实验设备瓜分了或当废品卖掉了,物理教师也改行了。   粉碎“四人帮”后,百废待兴,教育事业迎来了春天,学校恢复了正常的教育秩序,教材成了燃眉之急。1977年11月教育部在北京清河召开“高等学校工科基础课教材座谈会”,修订几个典型的教学计划,确定了绝大多数院校的学制为四年,并确定了工科普通物理的教学时数为200学时。会上,上海市高教局接受教育部的要求,要上海编写组承担编写新教材的任务。同年12月教育部在西安召开工科数学、物理教材编写规划会议,确定了几个学校负责编写几种类型的教材。要求上海编写组在程、江二版的基础上结合当时的形势修改成第三版。由于当时程守洙、江之永两位教授年事已高,遂在他们的指导下,重新成立编写组,参加编写工作的有胡盘新、朱泳春、吴锡龙、秦树艺(上海交大),周涵可、宋开欣(同济),陈光清、汤毓骏(纺大),华寿荪、高守双(化工),骆加锋(机院),钟季康(铁道),马连生、张关荣(上海科大)以及盛克敏(西南交大)等同志。这套教材既加强了基础理论,又反映了现代科学技术领域的新成就,尽量满足四个现代化的要求。这是文革后出版的第一套新教材。此书出版后,普遍反映:内容广泛,要求较高,撰写精炼,例题习题丰富,为全国许多高等工业学校中物理教师所欢迎。1979年第一次印刷,印数达30万套。   1979年,教育部恢复了各门课程的教材编审委员会的活动,并增补了一批年轻的委员。编委会在教育部领导下,于1980年6月在哈尔滨召开了工科物理教材编审委员会扩大会,审订了高等工业学校普通物理学教学大纲(草案)。(四年制试用)(200学时)。根据编审委员会1980~1985教材规划,由于当时仍有部分学校在使用1964年出版的程、江二版教材,但内容稍嫌陈旧,并且书上没有习题,所以委托朱泳春、王志符教授参考1980年教学大纲进行修改,以适应一般院校使用,于1982年出版了修订本(即第四版),本书修订时注意打好基础、精选内容、逐步更新、利于教学等几个方面,并且适当控制了篇幅,该书获得1987年国家优秀教材奖。这样,程守洙、江之永主编的《普通物理学》分成两个版本同时出版,以后也分成两个版本分别修订出版,在国内图书出版界是罕见的。   1985年,国家教委根据《中央教育体制改革的决定》的有关精神,在课程建设方面,不再组织编写和审订高等学校工科本科基础课程的教学大纲,而委托课程教学指导委员会(即原教材编审委员会改名的)制定有关课程的教学基本要求。1987年国家教委颁布了《高等工业学校物理课程教学基本要求》。1992年12月,课委会在广州召开“物理教材修订会议”,要求把第三版和1982修订版两套教材根据《基本要求》分别进一步修订。将第三版修订成为第五版,将第四版修订成为第六版。 参加第五版修订工作的有胡盘新、宋开欣和汤毓骏三人。根据1995年国家教委颁布的工科物理课程教学基本要求,结合读者多年来使用此书的意见和建议,以及当前国内外的物理教材改革的动态修订而成的。此次修订保留了第三版的体系、风格和特色,改写了部分内容,调整了个别章节,增加了阅读材料,充实了应用类题目,在内容现代化、加强应用性、扩大知识面以及提高科学素养方面均有进一步的增强。该书于1997年由高教出版社出版。获得了1999年上海普通高校优秀教材一等奖,并为2000年度中国高校科学技术进步奖科技教材提名书目。第六版修订工作由朱泳春担任,现正在进行中。   为满足教学的需要,我们还编写出版了《普通物理学简明教程》、《普通物理学(第五版)习题分析与解答》、《普通物理学(第五版)思考题分析与拓展》、《普通物理学(第五版)学习指导》以及《普通物理学(第五版)电子教案》等配套教材。此系列教材列入2003年高等教育百门精品课程教材建设计划。同时被评为2004年国家精品课程上海交通大学项目成果之一。   2005年初教育部召开了第二次全国普通高等学校本科教育工作会议,下发了2005年1号文件。文件中指出:“在规模持续发展的同时,把提高质量放在突出的位置。”文件中对教材工作提出:“加强教材建设,确保高质量教材进课堂,要大力锤炼精品教材,并把精品教材作为教材选用的主要目标。”同时,课指委于2004年制定了新的大学物理教学基本要求已报教育部审批。程守洙、江之永主编的《普通物理学》(第五版)(含其配套教材)修改为第七版也已纳入高等教育百门精品课程教材建设计划,为大学物理课程教学服务系统建设项目(该计划作出整体已列入新闻出版总署“十五”国家重点图书出版规划)。第七版现正在修订中,预计2006年出版。   程守洙、江之永两位先生虽然已经离我们而去了,但是他们的教材仍然被众多院校选用,成为跨世纪的经典之作,传世之作。我们后辈将继承两位先生的治学精神,发扬教材的特点,与时俱进,编写教材,一版一版传承下去,做到传承经典,再创辉煌,获国家精品,育世纪新人。   选自 《上海交大百年物理》, 上海交通大学出版社, 2006

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陈英礼–40年来的上海交大光学学科

40年来的上海交大光学学科 陈英礼 我校激光技术的研究始于1965年。自1960年在国际上发明第一台激光器(红宝石激光器)以后,国内外学术界和工业界都在探究激光的应用。时任上海交大副校长的朱物华院士是一位著名的水声学家,他一直在考虑是否可以利用激光高亮度的特点,发展水下激光探测技术,以弥补声纳的不足。1964年9月,他找了刚从复旦进修回校的青年教师汤荣身(现名汤一兵),谈了想法。并要求汤一兵进行激光及其水下应用的调研工作。当时中科院上海光机所刚成立不久,他们在激光方面已经做了大量工作。朱校长带了秘书和汤一兵参观位于嘉定的上海光机所。光机所副所长,著名的微波量子电子学专家黄武汉非常热情地带领他们参观了激光材料、激光器件以及激光核聚变等实验室,并作了详细介绍。调研工作结束后,汤一兵写了“激光在水下应用的进展与建议”报告上报朱校长。1965年5月朱校长找了基础部主任于骏民和汤一兵,要求立刻从物理教研室抽调人员成立“水下激光探测与显示”课题组,并要求将进展情况和存在问题定期向他报告。以后朱校长又提出了十六字:“先赶后超,赶中有超,逐步积累,(达到)国际先进”作为课题组开展工作的指导方针。   课题组成立后,组长是于骏民,副组长是汤一兵,程守洙教授是学术指导人。组员有陈英礼,范忠浩(电气),公丕莲(玻璃工),还有化学教研组调来的姚中栋,黄雍实等人。为了加强力量,又按朱校长指示,从工程物理系调来了政治业务俱佳的两位青年学生:谢绳武和张松祥,他们先在程先生指导下结合科研进行毕业论文,以后就留校参加课题组工作。一群年轻人,除了汤一兵以外,谁也没有见过激光,虽然经常为某一问题争论得面红耳赤,但大家相处很是愉快,工作也抓得很紧。当时的思路是:在交大开展水下激光探测技术分几步走。第一阶段是“练兵”,通过建立两台最简单的激光器:红宝石激光器和氦-氖激光器来熟悉激光;第二阶段是建立水光学传输特性实验装置,对我国不同海域的海水进行吸收散射等传输特性研究,找出适宜于水下传输的工作波长;第三阶段是建立相应波段的激光器;第四阶段是发展水下激光探测技术。作为第一阶段,我们着手把当时物理实验室的一台上海曙光厂早期生产的镀膜机加以改装,建立了气体激光管充气系统和布儒斯特角窗口封接装置,设计加工了光学支架等等。但我们很快知道,中科院上海光机所和上海硅酸盐研究所,上海灯泡一厂等已经成功地研制出有关的激光元器件,主要供他们自己使用。于是我们就根据自己进行的计算和设计,提出参数,请他们支援。我们先后从光机所得到了介质膜,从硅酸盐所张绶庆研究员那里得到了红宝石,从上灯一厂得到了He-Ne气体放电管和闪光灯。汤一兵设计了反射镜调节支架,谢绳武设计了聚光腔。范忠浩设计并制造了两台激光电源。我们把这些元器件装配起来,并摸索出了一套调整光路的方法。前后大概花了半年时间,获得了两种激光输出。当时学校要在1966年4月8日校庆举办科研成果展览,上海市领导也要来参观。我们的成果在送展之列。科研处提出,最好能表演一下,加深领导印象。范忠浩很聪明地提出:水下通信和陆上通信的区别是一个在水下,一个在水上,道理差不多,无非换个光源而已,可以先表演陆上通信。他并且表示可以把音频信号加载到He-Ne管的射频电极上(内调制)。这一想法得到了大家一致赞同。当时已是傍晚时分,我马上从家里拿来刚买的电唱机和唱片,范忠浩连夜就把它改装成调制信号源。展览会上,一曲歌剧“江姐”中的“红梅赞”歌声随着红色激光束从展厅一头传到另一头。很多参观者只听说过激光,从来没有看见过,更没有看到过激光传输信号。这一成果在展览会上成为热点,颇得大家好评。会后校党委书记余仁表扬了课题组,并指示要总结经验,立即转向水下激光研制。但不幸的是,随着文化大革命的开始,科研工作全部停了下来,仪器设备全部封存,全体人员从本部科学馆转到法华镇路基础部参加文革运动,以后又去奉贤钱桥乡接受贫下中农再教育。   1969年底,随着“抓革命促生产”号召的贯彻,科研工作又开始逐步恢复。1970年,汤一兵向当时负责学校教育科研工作的军宣队李明远队长汇报工作时,提出要把工作重点转移到筹建激光研究室,继续开展水下应用研究。李队长表示同意,要汤一兵尽快写出筹建计划及长远规划。三天后汤一兵完成报告上报。李队长很快就告知汤一兵,学校同意成立激光研究室,并已把二万元打入激光研究室的账号,作为启动经费。激光研究室以彩色电视会战小组和原物理教研室激光课题小组为基础,再吸收了基础部其他教研室的同志。后经六机部正式批准成立。当时校内实行军事化建制,每个系都是一个大队,激光研究室编为五大队五连,连长是汤一兵,下辖五个班:二班(班长徐高钺,张松祥),从事激光应用研究,重点是水下应用。他们直接承担水下激光设备的研制任务。三班(班长徐家齐,梁文彪)研究激光新材料,进行原料提纯和晶体生长。当时是用引上法拉制掺钕钇铝石镏石晶体。四班(班长蒋秀明)研制用于水下激光的激光器。五班(班长谢绳武,丁士豪)承担光学元器件设计和加工,如水下电视扫描镜鼓,晶体加工和测试,以及各种膜片(黄木贞)等。一班原指参加彩电会战还未回校的那些同志。以后成立了机加工车间,就称为一班(班长任秀英)。   当时我在四班,成员除我之外,还有赵家驹,应燕平,郭嘉荣,秦树艺,周修宗,王文珍,陆莲芬,景毓章,刘建华等。参加我们研制工作的还有中科院光机所凌君达副研究员。她是40年代交大毕业的校友,有长期从事微波量子放大器和激光研究的经验。在“文革”中她的丈夫,我国著名微波量子电子学专家黄武汉遭迫害致死,她自己也被隔离审查。刚从“牛棚”出来,就参加了我们的工作。她平时就住在交大集体宿舍,生活极其朴素。她教给我不少激光方面的知识,和她讨论问题常可产生不少新的想法。改革开放后,她到美国马里兰大学去工作,现已退休,定居美国。   当时根据国际上报道,水下激光窗口已经比较明确,绿光有较长的传输距离。产生绿光有多种激光器,其中掺钕钇铝石镏石倍频激光器可能是最有效的方法。我们四班的任务很明确:研制一台瓦级输出的倍频绿光激光器。具体分工是:蒋秀明总负责以及与整机的协调,赵家驹负责红外,陈英礼负责倍频,郭嘉荣,应燕平,秦树艺负责电源,周修宗负责机械。五班的黄苏伦加工激光晶体,王佩筠加工倍频晶体,黄木贞负责供应介质膜片。在设计以前,我们对器件的主要参数,如椭圆聚光器的几何参数(半轴和偏心率)对聚光效率的影响,灯和晶体棒以及冷却水套几何尺寸的匹配,YAG 棒的增益和损耗,不同输出耦合对红外输出功率的影响,倍频晶体相位匹配条件,倍频晶体厚度与最佳聚焦斑点大小对倍频效率的影响等物理参量,都经过计算或估算,有的还进行了分体试验,最后确定了各个部件的基本参数。当时我们的工作有两个特点。其一是参加研究工作的人员物理图像非常清楚,他们对自己要做什么以及该如何做是很明确的。蒋秀明经常组织会议,稍作政治“务虚”以后,就进行学术讨论。由凌君达、陈英礼、赵家驹等轮流做文献阅读报告,并介绍自己的体会和工作进展,报告后讨论,气氛很热烈,对于搞清楚物理图像很有帮助。最后由蒋秀明总结,布置下一步工作。这种工作方式在现在看来不足为奇,但在“文化大革命”中,“读书无用”、“知识愈多愈愚蠢”思潮泛滥,要坚持这样做是需要勇气的。这种做法对于推动工作的迅速进展起了很大作用。另一点是知识分子脑力与体力劳动相结合。图纸完成以后,教师自己到车间和工人师傅一起讨论,往往由于部件特殊,要和师傅一起定工艺,有时还要修改图纸。加工部件要经过若干道工序,教师从木模车间到翻砂车间,拿了二、三十斤重的铸件,再到动力车间借刨床刨平面,再拿到自己小车间车铣钻孔装配,直到拿到实验室做光学实验,都是自己亲自动手。郭嘉荣是当时组内为数不多的讲师之一(其他绝大多数人都是助教),身为高级知识分子,但经常蹲在地上检查线路。有一次从地下站起,头部不慎与导轨尖角相撞,顿时血流如注。另一件事,当时大家对于激光防护不是很注意,不习惯用防护镜,也常常一人单独调光路。有一天中午大家在办公室休息,赵家驹单独调试光路,不慎触动电源,以致视网膜穿孔,影响视力终身,大家都感到很内疚。赵家驹是一位非常值得我尊敬的同事,现定居美国,在迈阿密大学工作。他不但在科研方面作出了很大成绩,在教学方面也贡献良多。他开设的《光学原理》和《高等光学》课程,内容全面,讲课时以启发性的问题引导学生思考,把概念阐述得非常清楚,很受学生欢迎。历来是得到学生欢迎的一门课程。不少当年听过他的课,现在国外的校友,回国时都向我谈起过这门课对他们的影响。他们说,现今工作上的成就,颇多得益于当年打下的基础。   工作中经历了很多次失败。最初遇到的是泵浦灯(氪灯)的点燃问题。氪灯是上灯一厂特地为我们试制的,由我们研制电源。电源是一种高压触发的强电流工作的弧光灯电源。刚开始时上灯一厂与我们都没有经验,灯管的工作参数与电源不匹配,使用时不是点不亮,就是灯管爆炸。灯管炸了几十支,每炸一次灯,负责电源同志就总结讨论,其他同志就忙着重新磨光聚光腔,拿出去镀银,要忙乎一阵子。经过大家努力,最后终于使氪灯平稳地处于正常工作状态。另一个难点是倍频晶体的防潮介问题。当时采用的是碘酸锂、磷酸二氢钾一类水溶晶体,极易潮介。王佩筠当年刚从学校出来,她钻研技术,摸索出了一套加工工艺,完成了晶体加工。于1972年五一劳动节前夕获得连续YAG 器件的1.06微米振荡输出。接着同年党的生日前夕获得连续倍频0.53微米输出(当时都是赶在节日前献礼,所以节日前是日夜工作)。第一次获得红外激光时,没有用光电探测装置。先前的每次试验,都在激光器前放了一张蓝色复写纸,但总是不见动静。到底有没有输出,争论不休,于是考虑建立光电探测装置。但有一次打开激光器后,起初复写纸没有反应,习以为常,也不在其意,过了一会儿,有人发现复写纸上蜡熔化了,接着烧了一个洞,才知道已经得到红外激光输出,大家兴奋不已。做倍频光时,开始也是一个芝麻大小的绿光小点,直到一年以后才获得几十毫瓦的输出。无论是1.06微米或是0.53微米连续输出,我们都是中国第一家。   除了为二班提供绿光器件工作以外,我们还做了一些激光应用其他方面的工作。70年代中期,当时上海第二医学院生物物理教研室许松林向我们提出,建立一台输出功率数十瓦的连续掺钕钇铝石镏石激光器,用以探索1.06微米激光束与人体组织的相互作用以及可能的临床应用。这一装置由陈英礼和王琳为主(导光光纤由华东化工学院提供)完成,后送交二医,以后又在二医附属九院用于治疗血管瘤,效果极好。记得有一位从广州来的解放军病员,舌部患大面积血管瘤,说话饮食都很困难,广州的医生建议外科手术切除。他由人介绍来到二医,照射几次后,舌头恢复原状,而且表面平滑,说话饮食如常,病员极为感激。在中国,掺钕钇铝石镏石激光器用于临床,我们是首家,在全国影响很大。自此以后,基于掺钕钇铝石镏石激光器的各种医学激光仪器不断涌现,现已成为激光医学的主要设备。不过遗憾的是,中国目前绝大多数钇铝石镏石医用激光设备都是从国外进口的,而在国内市场推销这些设备的主力大都是我国高校光电子专业毕业的高材生。   在倍频晶体方面,早期所用的倍频晶体都是单轴晶体,相匹配计算比较简单。但随后大量新的非线性晶体出现,这些晶体大多是双轴晶体,计算远比单轴晶体复杂得多。人们对于如何有效地使用这些晶体不甚了解。谢绳武把全部晶类,根据其点群对称性计算了双轴晶体多波相互作用的最佳相匹配,为合理使用双轴晶提供了理论依据,对于推动我国非线性晶体的生长和使用起了重要作用。大量非线性晶体生长和应用的研究工作,如中科院福州物质结构研究所,山东大学,天津大学等单位都利用他的计算结果,在全国有很大影响。   二班的工作主要是建立水下激光观察设备。先后有徐高钺、张松祥、殷琢豫、顾祖翰、蒋玫玲、华伟亢、顾振达、方书淦、郭宪明、胡齐丰、谢绳武、奚碧瑾、施家良、董明达、朱亚军、梁文彪、胡宝礼等人参加,他们分别承担了方案论证,总体设计,光机电分体设计与制备,安装调试等工作。在开展激光水下传输特性研究的基础上,围绕激光水下探测技术,进行了各种水下目标显示方案(包括距离选通技术)的比较。比较了克服激光后向散射以及提高信噪比能力方面,各种方案的优缺点,并考虑了实现方案的现实性。经过多次论证和实验比较,最后采用了激光扫描和几何分离原理相结合克服后向散射的方案。   在研制过程中,当时的海军驻交大军宣队孙公飞政委对我们鼓励很大。在交大游泳池进行了第一次水下试验,观察目标距离是5米。虽然观察距离只有5米,但孙政委很高兴,鼓励大家说:第一架飞机刚发明时,高度只有几米。但只要能够离开地面,就是飞机了。他希望大家好好干下去。他的话的确给大家鼓舞很大。以后进行了不断改进,先后研制了三代样机:原理样机,实验样机和使用样机,利用样机进行了阶段性成果推广。如东北小丰满水电站和密云水库水下拼件部分的检测,黄河上游龙羊峡水库、浙江小水库水坝的水下观察。南京长江大桥桥墩因船舶碰撞而受损,此事引起国务院高度重视,经我们用水下电视系统检查,判断无严重受损。我们的系统还参加了二次大战期间沉没于我国东海海域日舰阿波罗号的打捞,都取得了较好效果。该项目获全国科技大会重大科研成果奖。但遗憾的是,这一成果最终未应用于海军艇。系统安装在艇上进行实地调试后,终因设备的可靠性和图像质量等未能达到实战要求,而未被采用。   除开展激光在水下的应用外,二班还开展了激光高分辨率图像记录仪(胡齐丰等),激光多普勒测速仪(胡齐丰等),激光船模轨迹仪(徐高钺等)等研制。但以后随着人员的变动和其他种种原因,激光技术应用的项目没有能够继续下去,这是非常可惜的。   物理系复系之后,方俊鑫教授来交大工作,开拓了光学学科新的研究方向。方俊鑫教授是国内一位著名的固体物理学家,但对光学也有很深的造诣。早年在交大工作时,研制成功了国内第一个X射线管,打破了外国的禁运。他来交大后提出:交大办光学专业,应该有自己的特色。他认为交大的光学学科要与凝聚态物理密切结合,他建议的研究方向是光与物质,特别是光与凝聚态物质的相互作用。具体地讲,就是导波光学与集成光学。他在长时期的思索中形成了一个想法,他认为:光在介质中的传播,特别是在光波导中传播时,是有别于真空。光与固体元激发相互作用的结果产生了Poariton。他称之为杂交光子,即既非光子又非元激发,但又同时具有这两者的性质。他希望凝聚态和光学两个学科结合起来,能对他的这一想法在理论上和实验上得到进一步阐明。另一方面,自70年代初高琨博士提出低损耗光纤概念以后,1976年美国第一个光纤通讯系统投入运行,光纤通讯在国际上成为热点。在中国,中科院福州物构所和上海硅酸盐所已成功地在国内研制出光纤,上海建立了第一条光通讯系统。当时认为,70年代初由集成光学之父田炳耕博士提出的集成光学代表着未来光通讯中光器件的方向。未来光通讯中光器件将以波导形式出现,而且有源器件和无源器件有可能集成在一块波导上。集成光学在国际上已经取得了不少进展,而在国内尚在起步阶段。方教授认为交大应不失时机地开展集成光学研究工作。导波光学和集成光学互为依存,互相促进,既有理论,又有实验。经过长期努力,就能形成交大光学学科的特色。   为了开展集成光学研究,当务之急是要把集成光学实验室建立起来。当时陈益新作为物理系建系骨干,刚从电机系调入,他勇敢地将此重任挑了起来。在“文革”中交大曾经建立了一个集成电路实验室,在科学馆,叫元件车间。他把它接收过来,包括房屋、设备,技术骨干赵小林、戴庆元,管理人员翁秀珍,工人戴培兴、李美、缪洁华等12人也一起调入,朱美华调入该室担任党支部书记。他们组织人力,将里面的净化室、涂膜机、扩散护、光刻等设备一一予以修复,建立了固态电子学实验室。方教授看了以后,表示满意,认为初具规模,可以开展工作了。作为第一步,他希望在交大实验室里先做成一块介电晶体的光波导(方教授一直不主张交大搞半导体有源波导,这一想法的影响一直延续至今), 能够做到使光束在波导中传播几个厘米,就可以进一步开展光波导器件和导波光学的研究工作。当时方教授把这一任务交给了陈益新和陈英礼。我们这几个人,包括方教授在内,除了文献中照片之外,谁也没有见过实际的光波导,(后来我们知道中科院长春物理所于荣金小组已于70年代中期制备成了中国第一块铌酸锂光波导,我们只能算第二家)。由陈益新负责光波导制备,陈英礼负责光的耦合和测试。采用的是真空蒸镀钛膜,然后扩散的方法制备波导,利用棱镜耦合实现光的传输。这在今天,是很普通的技术,而在当时做起来也颇费周折。当时并不知道何处可以得到金红石棱镜材料。于是去硅所找唐元汾,他记得曾为一家单位制备过金红石晶体,但不是为集成光学用的。他慷慨地打开抽屉让我找,在他放满了各式各样晶体的抽屉里,找到了几片用剩的金红石边角料。正好我们实验室有一台丹东生产的X-射线衍射仪,于是就到材料系,查到金红石不同晶面X-射线衍射的数据,利用X-射线衍射方法来精确地判断晶面方向。光学加工由谷正太负责。当时光学加工车间在北二楼,X-射线衍射在教三楼,谷正太不厌其烦地一日数次奔走其间。他磨好以后,我在衍射仪上测方向,再决定那个地方需要再磨掉一些,如此反复,终于做成了耦合棱镜。又请长春光机学院来的于国英做了一个耦合支架,经过一个多月的紧张工作,陈益新也做好了波导,我们两个人就在激光实验室里做实验,当棱镜转到计算的角度,把螺丝拧紧,突然看到了m-线,两人非常兴奋。请方教授也来看了,确认光已经在波导中传播。交大的集成光学,有了一个开头。   不久陈益新去美国圣地亚哥加州大学张慎四教授处当访问学者,他不时把看到的先进的东西写信回来。而国内的研究工作则由陈英礼、许政权和李劬继续进行。一年以后陈益新回国,作为学术带头人,他带回了国际上的最新信息。此时学校得到世界银行贷款,物理系对集成光学很支持,用相当数目的经费支持集成光学,添置了反应离子刻蚀、扫描电镜电子束写入、表面轮廓仪、射频溅射仪等设备。稍后又在日本大阪大学的帮助下,使扫描电镜增加了电子束制版功能,这些设备当时在国内是最先进的。而集成光学实验室的人员也在不断扩大,有教师和实验人员30人。先后培养了研究生近百人,承担了一批863和 其他重要项目。这些项目有:空间光调制器(陈益新,陈雷)、4×4铌酸锂波导光开关(龚小成,沈启舜)、波导AD 转换器(李保贞,阮丽贞,沈荣桂)、声光波导器件(徐敬舆)、频谱分析仪与程差透镜(许政权)、光波导调制器(金国良)、离子交换玻璃光波导(方三摩)等。项目总经费达到每年200多万,一个学科有如此多项目,这在当时各高校光学学科中是不多见的。当时交大的集成光学研究,在国内外学术界有相当的影响,这一领域的国际著名学者,如田炳耕、蔡振水、张慎四、Tada、Namba、Nishihara 及Sasaki等多次访问交大,并建立了密切联系,进行了学术合作和交流。陈益新多次应邀作为集成光学国际学术会议节目委员会成员,或作为发起人主持会议。在国内,他是中国光学学会集成光学专业委员会发起人之一,并担任副主任委员至今。可以这样说,交大的集成光学对中国集成光学的发展,起了开拓和推动作用,亦培养了大量集成光学人才。   在导波光学方面,光学学科也开展了一些有意义的工作。导波光学是光纤技术和光波导器件的理论基础,是70年代刚兴起的一门新学科,当时国内对它了解甚少。方俊鑫教授于1978年首先在国内举办导波光学讲习班,学员除本校师生外,还有国内各兄弟院校、研究所和工业界的技术骨干,对于普及导波光学,推动光通讯和光器件的发展起了重要作用。以后杨傅子、曹庄琪在方教授讲义的基础上,出版了《光波导技术的物理基础》一书,现是国内各高校相关专业的重要教材。   在研究工作方面,杨傅子、曹庄琪在方教授和盛虞琴指导下,开展了金属覆盖介质波导研究。在众多的光波导器件中,有相当一部分具有金属覆盖形式(如电光器件,半导体激光器件),人们对多层介质波导中光的传输研究比较透彻,而对于金属包覆形式下的传输认识不很充分。当时普遍认为,表面等离子波只能存在于介电系数符号相反的材料中,但杨傅子、曹庄琪经过分析,认为这一结论在强吸收介质中可能不再成立。限于当时国内计算机和实验条件,这一想法没有得到证实。不久杨傅子到英国Exeter大学当访问学者,向导师谈了想法,导师也将信将疑。杨傅子利用该校实验室的计算机进行了计算,在输入相关数据后他离开了实验室,第二天上班得到的结果证明了这一想法,以后他又在强吸收介质中用实验证实了这一结论。这一工作在国际导波光学学术界有较大影响,人们称这种情况下的表面等离子波为“傅子模”。在国内,曹庄琪根据国内已有条件,也开展了不少有意义的工作,取得了重要结果。   … Continue reading

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软物质

原文在新浪博客   “软物质”这个词, 大约是第一次由Pierre-Gilles de Gennes(中文早期翻译为德.让纳, 最近看到翻译为德.热纳, 还有人翻译成热纳)明确提出来的. 他在1991年获得诺贝尔物理奖之后, 所做诺贝尔讲座的题目就是”Soft Matter”, 这个讲座的内容后来发表在1992年的”科学”(Science 256 (5056), 495-497 (1992))和”现代物理评论”上(Review of Modern Physics 64, #3, 645-648 (1992)). 软物质和软物质的研究并不是在德.热纳提出这个名词之后才有的, 实际上, 这个名词的提出, 是这样一个非常广泛, 非常有趣的研究领域开始走向成熟的标志. 在此之前, 有关软物质的描述中用的最多的词是”复杂流体 (Complex fuids)”,  这个词目前仍然在文献中广泛使用. 众所周知, 流体是很复杂的, 学习和研究流体力学需要一定的牺牲精神和冒险精神. 如果在已经非常复杂的流体前面加上复杂两个字, 很容易吓走很多学生. 另一方面, 软物质是个没有深浅, … Continue reading

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麦克米兰极限

科学网介绍,赵忠贤院士获得何梁何利最高奖,http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/10/306513.shtm, 其中提到麦克米兰极限。 恰好很多年前我调研过这个极限。在铁基超导获国家自然科学一等奖时,科学网的博客中也讨论过它。 在陈儒军的科学网博客“铁基超导质疑总结”上,我当时写过一个评论,保留到这里。 ———————– [20]马红孺  2014-2-8 21:21我不知道所谓40K的所谓麦克米兰极限来自何处, 如果有人能提供文献,将非常感激。大约20多年前,兄弟我也跟风做过一阵超导研究,虽无建树,还是看了不少文献。当时似乎就有个麦克米兰极限的说法。但据我所知,这个所谓的极限并没有真正确切建立过。McMillan在1968年有一篇重要文章,非常仔细地求解了厄立希伯格方程,通过分析和拟合数值解,给出了一个超导临界温度的公式,按照这个公式,临界温度有一个上限,McMillan在文章中其实已经指出了公式的局限性,可惜后来使用的人并没有在意作者的忠告。1975年,Allen和Dynes重新做了类似的分析,但做的更深入,算的数字也更多,结果发现McMillan的公式的外推并不正确,而且给出了强耦合极限下临界温度的渐进公式,根据此公式,临界温度与耦合常数的1/2次方成正比,没有上限。1976年开始,蔡建华,吴杭生两位先生开始了临界温度的研究,后来龚昌德先生,蔡俊道,吉光达等加入,把基于厄立希伯格方程的临界温度的研究推到了最高峰。按照他们的结果,Allen和Dynes的渐进公式是正确的,也就是说,厄立希伯格方程并不能给出电声子作用下超导临界温度的上限。这个上限如果存在的话,应该是通过 \alpha^2F谱和库伦赝势等参数体现出来的。这20多年,没有关注超导,是否有人算出电声子下超导临界温度的上限了?或者,仅仅是假借麦克米兰之名的一种看法? —————————- 戴希博士随后的评论中,两处对我的提问给出了非常确切的答案,也介绍了一些很有价值,值得保留的东西。也一并留存。 ————————————- [42]戴希  2014-2-9 14:3336楼的朋友,马老师的评论写得非常专业。我先回答一下老马的问题,没错,麦克米兰极限按照我的理解并非理论上的极限,而是总结超导领域的全部实验结果和理论分析给出的一个合理的估计。用了麦克米兰的名字来命名,是因为他最先提出这个问题,并给出了最初的解答。他提出的问题就是在电声子耦合作用下,金属体系发生超导转变的温度上限是多少?很遗憾20多年过去了,理论上还是不能算出电声子机制的Tc上限,问题其实远比我们想得复杂。去年六月,我在东大物性所参加讨论会,期间有位德国物理学家给了一个讲座,即Migdal定理在一些材料体系中不一定成立,所以建立在忽略顶角修正基础上的Eliashberg方程本身也并非适用于所有材料,也需要修正补充,那老兄于是汇报了他的加入低阶顶角修正的结果。所以现在超导界用的39K的麦克米兰极限,是一个综合了我们目前的实验和理论的知识给出的一个半经验的认识,36楼的朋友说得不错,MgB2是现在实验确认的电声子机制导致的超导体中Tc最高的,正好是39K。突破这一极限(目前铁基超导材料最高Tc将近60K)就意味着传统的BCS超导理论需要大幅度的修正,是磁性相互作用诱导的全新的超导机制?还是电声子作用也发挥了一部分作用?完全由电声子机制导致非常不可能,因为在超导的铁砷层并未发现振动频率特别高的声子模式,第一原理计算得出的电声子耦合强度也不是很大。这些是目前正在进行的超导机理研究的核心问题。   [52]戴希  2014-2-10 10:5947楼的朋友的确比较好学,呵呵。以后只要时间允许,我一定多写一些科普的文章。下面来回答你的问题,其实马老师在他的评论里已经说得很明白,对强耦合超导理论的Eliasberg equation做仔细分析给出的渐进公式表明,在电声子耦合强度很大时Tc跟耦合强度的1/2次方成正比。这样一来似乎只要找到电声子耦合强度足够大的材料,超导的Tc就好像是可以无限提高。但实际上,电声子耦合强烈的体系具有较高的自由能,当耦合强度高于一定阈值以后原先的晶格就会失稳产生畸变,畸变以后的晶相就不再具有那么强的电声子耦合。所以对实际材料来说,电声子机制导致的超导Tc确实是有上限的,只不过这个上限并不仅仅由Eliasberg equation决定,还跟晶格稳定性有关。其坤他们组前几年在FeSe薄膜体系上做的工作,我觉得在铁基超导研究中是开创性的,他们发现单层的FeSe薄膜长在SrTiO3上会有较高的Tc,长厚了就几乎不超导了。这种单层FeSe结构的晶格常数比较大在自由环境下是不稳定的,但他们用衬底钉扎效应把它稳定下来。这些实验工作对我们的启示是,如果能通过界面钉扎效应获得自由环境下不稳定的晶格结构,则可能获得更高的Tc。目前这方面的研究正在迅猛发展。 ————————————- 超导是一个特别好玩的东西,从发现至今,虽有高潮低潮, 但研究持续上百年,已经有五个相关的诺贝尔奖。这似乎是唯一一个有如此持久的研究兴趣的课题。更为有趣的是,百多年过去了,人们对于超导的认识,仍然十分有限,反而在对超导机理的研究中,认识了很多别的东西。 超导这个坑里一定还能挖出不少黄金,虽然挖出来的可能不是超导。  

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温伯格的量子力学,很亲切

前两天突然发现网上有温伯格老先生的量子力学,便随手下载了。当年读书时,常常为买一本影印的外文书而连续数天只吃咸菜就米饭,所以后来每当发现网上有可以免费下载的物理书,都会忍不住下载一本,其实大多数也就放在硬盘里,很可能这辈子也不会去读。   但是,温伯格不是常人,我曾经读过老先生的科普书,很喜欢;也试图读过老先生的三大卷的量子场论,但没有读下去。为了显摆,我倒是买了老先生的三卷本的原版(花费了相当大的一笔美刀)以及费恩曼的三大本红宝书,放在书架上。而放在桌子上偶尔翻翻的,则是影印本的。所以,下载到老先生的量子力学后,便花了几天时间浏览了一遍。这次的感觉是:亲切。   我当年学习量子力学时,老师是蔡建华先生,用的是蔡先生的量子力学讲义,这个讲义后来以《量子力学》上册出版,但下册过了很长时间才由柯善哲先生写出出版。蔡先生去世后,由蔡先生的夫人孙和璧以及蔡先生的学生徐宏华,崔世民等人依照先生的遗言修改后出版了上册的第二版。彭桓武先生曾经写过一个书评,对蔡先生的量子力学以很高的评价,但是,也许蔡先生的书不大适合应考,且没有习题,所以选来做教材的学校并不多,后来,出版社也就不印了。蔡先生的书的风格,与国内流行的量子力学教材的风格不大一样。很长一段时间,国内量子力学教材的风格,大致是由曾谨言先生和钱伯初先生的风格所引导。张永德先生的风格又有所不同,据说最近这些年也有较大影响。但蔡先生的风格,似乎没有推广。但是,南京大学物理系毕业的学生,其所学的量子力学,至少在过去的几十年,还是深受蔡先生风格的影响,而且,我深信如今在物理学研究中做出杰出贡献的一批曾求学于南大物理系的学者,或多或少地也受到这种风格的影响。   温伯格的量子力学,在风格上与蔡先生的教材比较接近。我相信温伯格和蔡先生不大可能有任何交集。(蔡先生与萨拉姆先生有过较多交往和友谊,而萨拉姆与温伯格是同届诺贝尔奖得主,这种联系大概只有找网络关系的人才有兴趣) 。所以,我认为这种风格上的相近只是表明他们二人在对于量子力学教学的看法上不约而同的有相近的看法。正因为这种相近的看法,才使我这个从蔡先生那里入门量子力学的学子,感到了温伯格量子力学教材的亲切。   温伯格的这本书比蔡先生的教材包含的内容要多,也要深一些。按照例如交大同学的状况,可以在大致120学时讲完。这本书从量子力学的最初发展开始,一直讲到最前沿(如纠缠,量子计算等),前面几章的处理是非常传统的内容,如塞曼效应,斯塔克效应的微扰处理等等。这本书的另一个显著特点是不用狄拉克符号,这在当前狄拉克符号已经差不多成为标准表述方式的形势下,有点独树一帜的味道。(我印象中看过一本用狄拉克符号讲线性代数的数学书!!)。还有一个重要的特点是没有所谓相对论量子力学。当年,狄拉克以量子力学的原则建立的方程,具有里程碑的意义,但是,相对论与量子论的结合,自然的结果应该是量子场论。因此,不按照量子力学的方式讲授相对论量子理论应该是合适的。   尽管现在的年轻人英文都很好,温伯格的书的英文也很容易读,但这本书似乎还是有翻译成中文的必要。也许出版社已经在考虑,规划这本书的翻译了。  

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