王之江（1930— ）
光學家，中國應用光學學科奠基者、中國激光科學開創者，中國科學院院士。江蘇常州人，1930年11月21日出生于杭州。幼年就讀于常州愷樂小學（教會學校），1945年至1948年在江蘇省立常州中學學習，1948年入學江南大學，1949年考入大連大學。1952年到中國科學院長春光學精密機械研究所從事光學設計工作，完成了大量國家急需的光學儀器的設計，創立了中國自己的光學設計理論體系，編撰了中國第一部光學設計專著《光學設計理論基礎》。1958年至1959年開設了兩期光學設計培訓班，為中國培養了大批光學設計人才。1961年9月，領導研制了中國第一臺紅寶石激光器。1964年至1976年，在中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）領導開展了高能激光的相關探索，創造性地解決了一系列理論與技術難題。20世紀80年代后，在自由電子激光、成像光學、激光分離同位素、光刻機、半導體泵浦激光等領域取得了一系列創新成果。1984年至1992年任上海光機所所長。1988年被選為美國光學學會核心會員（中國首位獲此殊榮的光學家），1991年被評為中國科學院院士，1991年當選為國際光學工程學會核心會員，1997年獲何梁何利獎。
①王之江在20世紀80年代的工作照
②1995年，王之江和王大珩（右）合影。
③1978年，王之江在第四次全國激光報告會上作“幾個激光光學問題”的報告。
④中國第一臺紅寶石激光器
“老科學家學術成長資料采集工程”系列報道264
■陳崇斌 汪志榮
為國所需，創建中國應用光學學科理論體系
王之江的第一份工作是光學設計。對于這份工作，王之江并不喜歡，他更喜歡做理論研究，他曾坦言：“這（光學設計）與理論物理相距甚遠，很不符合自己的愿望。”但是，由于當時中國的應用光學還基本處于空白狀態，不僅不能自主設計、制造光學儀器，進口的一些儀器壞了也不能維修，急需有人從事光學設計，于是他接受了這份自己并不喜歡的工作。“雖然有些勉強，但既然是國家所需要，總也企圖將它做到最好”，本著這樣的工作態度，他把光學設計做到了最好，為中國應用光學學科體系的建立作出了卓越貢獻。
當時王之江所在的中國科學院儀器館（后更名為中國科學院長春光學精密機械研究所，以下簡稱長春光機所）是中國唯一的應用光學研究所，承接來自全國各地急需的光學設計任務。在那里，他一方面根據單位自身的需要，為仿制、自行制造儀器完成了大量光學設計任務；另一方面，他還解決了國內其他機構提出的光學設計問題，滿足了新中國成立初期國家對光學設計的迫切需求。
對于王之江在光學設計實踐方面的貢獻，中國光學事業開拓者王大珩這樣評價：“突出地表現了他對所學事物的敏感性、想象能力、創造能力和表達能力。在從事研究所自身需要的以及所外委托的各種光學設計中，迅速地形成以他為主導的團隊，完成了多種類型的鏡頭設計，包括顯微鏡物鏡、內調焦望遠鏡、照相機放映物鏡、寬銀幕放映物鏡機攝影物鏡、折反射系統以及連續變焦物鏡等。不出十年，使（長春）光機所形成了一個我國的光學設計中心，掌握了光學設計的自由。”
更重要的是，王之江在實踐基礎上完成了光學設計的理論創新，為中國應用光學學科體系的建立奠定了理論基礎。
王大珩留學英國時的教材（A.E.Conrady的Applied Optics and Optical Design）是王之江做光學設計的入門指導。王之江坦言“讀懂這本書就可以做光學設計”，但他并不滿足于能夠去做，而是在思考有沒有更好的方法。通過查閱文獻，其間還和兩位同事一起翻譯了具有德國光學設計理念的蘇聯著作《光學儀器理論》，王之江全面把握了德國、英國兩個學派的光學設計理論的優點與缺點，在此基礎上創立了以高級像差分析為核心的新的光學設計理論體系，編撰出版了中國第一部光學設計著作《光學設計理論基礎》。直到今天,該著作仍然是光學設計從業者不可缺少的重要參考。
1956年，王之江領導的光學設計組加入了一批新成員。為幫助這批新人盡快提升業務水平，王之江在長春光機所內部開設了光學設計培訓班，將自己的理論與方法毫無保留地貢獻出來，培養出了以薛鳴球院士為代表的一批光學設計人才，他們后來成為我國工程光學研究的骨干力量。1958年、1959年，面對國內高校、眾多光學工廠的需求，他又連續兩年舉辦光學設計培訓班，培養了大批國家急需的光學設計人才。得益于這批人才的迅速成長，應用光學研究在中國遍地開花，中國應用光學的學科體系基本建立起來。
中國應用光學學科體系的建立，凝聚了幾代光學家的卓越貢獻，其中嚴濟慈、王大珩、龔祖同等光學家完成了中國應用光學學科發展的奠基性工作，王之江則是站在這些前輩肩上的那塊最堅實的“基石”。
義無反顧，為“150工程”打造“火眼金睛”
王之江做過的光學設計超過百種，其中有我國第一臺連續變焦物鏡的設計、高數值孔徑折反射顯微物鏡、寬銀幕柱形物鏡設計，以及長春光機所聞名于世的“大躍進”運動成果——“八大件、一個湯”中高溫金相顯微鏡、多倍投影儀的光學設計等。這其中，最重要的應該是“150工程”——大型光學電影跟蹤經緯儀的物鏡設計。
“150工程”是為配合我國中程導彈試驗而開展的一項研制任務。20世紀60年代初，我國正在開展中程導彈試驗，需要對導彈軌道進行跟蹤并進行精密測量，其中導彈由控制系統控制飛行的主動段的運動軌跡是用光學儀器觀測的，距離為150公里以上。這種觀測設備事關尖端武器的發展，是西方國家嚴格“禁運”的儀器，只能依靠自己的力量來制造。
這臺光學設備涉及光學、機械、電學等多個領域，裝置總重量5噸以上，光學鏡頭直徑達600多毫米。研究人員此前都沒看見過這種裝備，只有幾張相似的照片可以參考，研制難度非常之大，加上此前長春光機所研制樣機失敗，所里很多研究人員對“150工程”的研制缺乏信心，也因此產生了“半桿子”還是“一桿子”工程模式的爭論。最終，該項工程由王大珩拍板采用“一桿子”模式，唐九華做總體方案論證，朱云青做電器部分的方案論證，王之江做的是光學系統的方案論證。
實際上，王之江當時已退出光學設計工作，轉行去做激光研究，但由于研制的樣機光學成像質量不好，而“150工程”的成像要求更高，在那樣的情境下，作為我國光學設計最權威的專家，他別無選擇，只能義無反顧承擔起這項艱巨的任務。
在光學系統的設計過程中，王之江首先確定了光學經緯儀的工作條件。因為觀測距離超過150公里，儀器肯定會受到大氣層流的影響，導致測量精度產生很大的偏差。經過廣泛查閱文獻，他了解到每天清晨和傍晚兩個時間段的大氣比較平穩，層流影響較小，就此確定了儀器的觀測條件——清晨或傍晚，這就是火箭發射多在傍晚、宇宙飛船返回地球都在早晨的原因。
“150工程”的最終目標是能夠捕捉到150公里外的導彈，其中最關鍵的就是觀測物鏡的設計。我們隔著玻璃窗看東西，物體都會變形，而“150工程”的光學系統有幾十個光學器件，觀測的是150公里之外的目標，若設計不科學，就不僅是目標變形的問題，而是什么都看不到。另外，為適應不同距離的觀測需求，物鏡還必須能夠變焦。經過思考，王之江采用一個球面反射鏡與兩個透鏡組的組合方案，實現物鏡的變焦，而兩個透鏡組產生的二級光譜恰好相互抵消，這樣既實現了物鏡的變焦，又消除了二級光譜產生的像差。這是一個可以申請專利的設計。實踐證明，設計方案非常成功，研制出的大型電影經緯儀，其性能超過了當時國外的同類設備，而且，觀測距離遠遠超過150公里，一般天氣條件下約為210公里，天氣條件好時可達300公里以上。
“150工程”這種大型電影經緯儀為國服役20多年，精確測量了各式導彈的飛行軌道參數，滿足了導彈試驗的迫切需要，為我國國防建設作出了卓越貢獻。該項成果獲1978年全國科學大會成果獎，是1985年“現代國防試驗中的動態光學觀測及測量技術國家科技進步獎特等獎”的主要組成內容。其輝煌成就也凝聚了王之江的智慧，是他為這臺設備設計出了最為敏銳的“眼睛”——光學系統。從這個意義上說，王之江也是我國導彈事業的元勛！
敢想敢做，領銜研制中國第一臺激光器
1961年9月，中國第一臺紅寶石激光器在長春光機所誕生。這臺激光器的成功運轉，僅比美國的第一臺激光器晚一年多，但比蘇聯的第一臺早兩個月。中國激光研究能夠在如此短的時間內趕上國際潮流，王之江創新的結構設計在其中發揮了關鍵作用。
激光研究實際上是鄧錫銘、王之江等一批年輕科技人才自主開展、沒有經費支持的“黑題目”，是利用業余時間完成的。這個“黑題目”開始于1958年的“大躍進”運動。在這期間，長春光機所因研制出了時稱“八大件”的八種先進光學儀器而成為科技界的典型，實際上，第一臺紅寶石激光器也是“大躍進”運動的成果，因為研制激光器的原始思想是在“大躍進”運動中形成的。
當時，為推進“大躍進”運動，毛澤東提出要“破除迷信、解放思想、敢想敢說敢做”。為響應這個號召，時任長春光機所團支部書記的鄧錫銘組織了一系列的讀書報告會，集中討論如何破除迷信、解放思想，做過去不敢想、不敢做的科學研究。1958年秋，王乃弘、王之江、顧去吾等一批年輕的科技人員，針對他們在應用光學研究中遇到的實際問題，比如紅外探照燈的有效照明距離能否從800米提高到5000米等，展開了一系列探索，產生了一系列改革光源的創新物理思想。他們改革光源的物理思想與1958年美國物理學家蕭洛和湯斯發表的《紅外和光量子放大器》（光量子放大器即激光器）文中的物理思想產生了共鳴，激發了他們研制激光器的最初動機——在美國物理學家梅曼的第一臺紅寶石激光器研制成功之前，他們就已經開始了對激光器的研究。
1960年5月，梅曼第一臺紅寶石激光器成功運轉，給中國科學家研制激光器注入了新的動力。當年年底，王之江提交了研制激光器的實驗方案。
王之江設計的激光器實驗方案有兩處特征鮮明的結構創新。其一，脈沖氙燈設計成直管狀。脈沖氙燈是激光器的泵浦源，由于當時國內尚無生產氙燈的廠家，激光器的研制只能從脈沖氙燈的設計工作做起。當時國外流行螺旋狀氙燈，梅曼第一臺紅寶石激光器采用的就是螺旋狀氙燈，王之江在設計氙燈時沒有去盲目仿制，而是從應用光學的基本原理出發，認為螺旋狀結構的效率低下，將氙燈設計成直管狀。其二，激光器的照明系統采用球形成像方式。梅曼第一臺紅寶石激光器的照明方式采用的是橢圓漫射照明，其后這種照明方式在國外非常流行。王之江從光學的基本原理出發，認為成像照明系統的效率比漫射照明方式高。
實踐證明，王之江設計的激光器效率更高，只需很小的能量就實現了激光輸出，這也是中國第一臺紅寶石激光器運轉成功的關鍵。當時長春光機所的技術支撐條件很差，制造氙燈所用的電容是倉庫庫存的舊電容，容量很小，只有2660微法，好在激光器效率高，輸出的能量有0.003焦耳。若電容再小一點或者裝置效率稍低，實驗都很難成功。回顧這段歷史，王之江感嘆道：“這臺紅寶石激光器的成功有很大的運氣成分。”
在激光器真正運轉時，由于研究人員此前只看到過關于原理性的一兩篇文章和幾條新聞報道，并不知道當時的實驗現象是否標志著激光正式產生。最后還是王之江根據實驗現象判斷，激光器確實已真正輸出了激光，后來用示波器等儀器測量的結果驗證了王之江的判斷。
勇于擔當，科學判斷“640-3”工程
高能激光研究和高功率激光研究是中國科學院上海光學精密機械研究所在建所之初承擔的兩項主要任務，其中，高能激光是由王之江帶領開展，高功率激光則由鄧錫銘領導開展。這兩項工作對中國激光科學的發展產生了非常深遠的影響。
高能激光系統的研制任務，時稱“640-3”工程，也叫100#任務，目標是利用激光進行導彈攔截。該工程自1964年啟動，到1976年終止，前后歷時13年。在這個過程中，研究人員通過提高輸出能量、改善激光亮度等方式對激光的破壞機理進行了深入探索，解決了工作物質損傷、寄生振蕩、彌散等一系列技術困難，并進行了激光打靶實驗。依據取得的實驗數據，研究人員認為當時的技術路線無法實現激光反導之目標，于1976年中止了這項工程。“640-3”工程雖然未能實現激光反導的最終目標，但通過工程的開展，中國激光科學在理論、實驗及各種單元技術等諸多方面都取得了非常可貴的進展。
在高能激光的探索過程中，王之江在關鍵時刻的科學判斷深刻影響了研究的進程，充分展示了他在光學理論方面的深厚造詣和敏銳的科學洞察力。1965年，在工程上馬之初、在大家都在緊盯著如何提高激光輸出能量的時候，王之江就清醒地認識到激光亮度的重要性，專門撰寫報告，闡明亮度指標在高能激光探索中的重要性。不久，“文革”開始，他被迫中斷這項工作，此后一段時間再沒有人去關注激光亮度的問題。直到1970年，上海光機所研制的高能激光器的輸出能量已達到極限，但打靶實驗的結果并不理想，研究重點才被迫轉向提高激光亮度的方向。其后，在王之江的帶領下，研究團隊大幅提高了激光的亮度，并在打靶實驗中得到了比較理想的結果，證實了王之江最初關于亮度的論斷是正確的。
“640-3”工程下馬，也是王之江做出的決定。1976年，王之江根據已取得的實驗結果判斷，他們采取的技術路線不可能達到激光反導的目標，于是建議工程下馬。當時，這項工程的總設計師錢學森以及國防科委的一部分人希望繼續開展下去。但是，王之江認為，這項工程繼續開展下去，一些技術指標肯定會得到提高，但激光反導的目標肯定不能實現；同時，這項工程花費太高，每年要花掉大約1億人民幣，繼續下去不值得。他建議，在有限經費支持下繼續開展高能激光的科學探索，在技術路線不夠明朗的情況下，不搞大規模的工程建設。實踐證明，“640-3”工程下馬是非常明智的。2007年美國國防部公開的DSB報告表明，現階段美國激光反導的技術手段也未發展成熟，與王之江在1976年的判斷是一致的。
“640-3”工程下馬，避免了人力、物力、財力的巨大浪費。不難看出，做出這樣的決定，體現了王之江敢于擔當的膽識和勇氣。在當時的壓力下，“對這一方案，誰敢說個不字？”王大珩曾在評價王之江時如是說。
“640-3”工程對我國激光科學的發展產生了極為深遠的影響，考慮到“文革”這一特定的歷史背景，其取得的進展及其影響顯得尤為重要。
王之江的科學貢獻，特別是在中國應用光學學科體系的建立、中國激光科學的開創方面，得到了國內外光學界的廣泛認可。長春光機所陳星旦院士這樣評價王之江：“在光學界，我不談大珩先生、龔祖同先生，他們是老一輩的，就我們這一輩，王之江是光學理論方面最有學問、最有思想的，應該是第一，其他人誰也趕不上。”大連理工大學吳世法教授的評價是：“王之江在創新方面，應該說不比他的老前輩王大珩、龔祖同貢獻低。他是我們國家光學設計的第一人，真正把光學設計的理論體系建立了起來，培養了很多搞光學設計的專家，在這方面應該說他是第一功勞，確實比老一輩的人貢獻更大。”
王大珩也給予了王之江非常高的評價：“王之江在我的學生中是最著名的，也是在學術上貢獻最大的一個。”他坦言，“老師不一定在所有的領域中都比自己的學生強，老師也不一定永遠都比自己的學生強，當老師的應該善于向自己的學生學習”。
因杰出成就，王之江1988年被選為美國光學學會核心會員，1991年當選為國際光學工程學會核心會員，這凸顯了他在國際光學界的影響。
（作者單位分別為浙江師范大學生化學院、安徽師范大學物電學院）
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
