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孔勇发:在南开物理的科研岁月

发布者:赵玮璐发布时间:2022-07-20浏览次数:10

        由左至右:孔勇发、李兵、许京军 孔勇发 南开大学泰达应用物理研究院副院长,物理科学学院副院长、教授。主要研究领域为信息光子学材料及器件。曾获国家自然科学二等奖、天津市自然科学一等奖等。

  1987年考入南开物理系

  考研加入温金珂教授团队

  我高中就读于河北省献县第一中学,1987年参加高考,估分填志愿时,我估了542分,想报清华大学电子系。班主任马富友老师根据往年的分数,觉得上清华要550分才保险,劝我报南开。当时还不是平行志愿,第一志愿录不上要掉档的,所以我改填了南开大学物理系。结果我的高考成绩是543分,而那年的题比较难,分数普遍偏低,清华、北大的录取分数分别是507分和501分。班主任觉得可惜:“唉,报清华也走了。”但在我们中学生心里,清华、北大、南开差别不大,我没觉得有啥遗憾,拿着南开紫色的录取通知书,满心欢喜。

  大学时光给我留下太多难忘的回忆,毕业时我们宿舍9个人,5个考上了研究生,用现在的话说称得上“学霸”宿舍,毕竟当时研究生名额很少。选导师时,我填了张光寅和王华馥两位教授,这是我当时知道的物理系最有名的教授了。然而我考研时发挥一般,成绩只能算中等,没能选上这两位名师。由于面试时表现尚可,担任面试教师的张世表教授希望我做他的研究生。张老师号称物理系“四大金刚”之一,我很高兴,愉快地答应了。

  然而研究生入学后,张老师却由于家庭原因出国了,他临行前把我推荐给温金珂教授。初见温老师有些惊讶,与“荆轲”谐音的这么响当当名字的教授,居然是位女老师!她入学于北洋大学,毕业于北京钢铁学院,因治学严谨、思维敏捷、组织能力强而受到大家的尊敬,被称为“温先生”。在我印象中,当时物理系女教授被称为先生的只有两位,另一位是有大家风范的陈天仑教授,她是我们“群论”课主讲教师。

  我加入了温先生的团队,这是一个和睦的大家庭,有为人和善、知识渊博的学术带头人王华馥教授,有年富力强的李冠告、李兵副教授,有机电全才唐燕生高级工程师,有生长晶体的黄子恒工程师,还有加工晶体的陈绍林、张建华工程师等。团队的研究生不多,博士生有李江、常永茂、邓家春,硕士生有刘力。刘力师兄跟李冠告老师从事晶体光纤研究,他人长得帅,歌唱得好,是“南开十大歌星”之一,2006年获得了国家杰出青年科学基金。我算得上是温先生的关门弟子,比我低一届的学生李乙钢由于不能赶在温先生退休前毕业,就转给了李冠告老师。

  在楼道黑板前开启了

  人生第一次科研报告

  我上研究生时,组内的教师们正致力于生长高质量掺镁铌酸锂晶体,并力求工艺的稳定性,以达到批量化、产业化。我有幸参与其中,具体任务是分析缺陷在晶体生长过程中的发生、发展情况。这项工作费时费力,但得出了重要结论,即籽晶对晶体生长异常重要,由此我们提出了籽晶优选工艺,改变了组内籽晶选材的原则,对晶体光学质量的提高起到了重要作用。基于此项工作,我撰写了人生第一篇学术论文。虽然经历了温先生、王先生一遍遍的修改,而且发表周期非常长,但论文还是在我毕业前发表在晶体生长的主流刊物Journal of Crystal Growth上。拿到论文精美的抽印本,我兴奋不已,与邓家春师兄到天南街喝啤酒庆贺了一番。

  按照惯例,我硕士学位论文题目要自选,我开始了艰巨的查文献任务。1992年,台式计算机刚刚兴起,文献并没有电子文档,所以查文献是个力气活,首先要翻一本本大部头的摘要索引,找关键词,按照期刊号查到文献,仔细研读,再复印。物理系的资料室在五教三楼和四楼的西头,楼上楼下折腾一天也不一定能找到想要的文献,有时为了一篇文献要到学校图书馆,或者去天大图书馆,甚至跑趟北京去国家图书馆。我搬了一个多月的书,总算有所收获。接下来,我又花了一周时间准备文献综述报告。本来计划是讲给温先生听的,但那天上午凑巧王先生有时间,所以成了给两位先生讲,报告地点也由112实验室改到二楼楼道。五教211外间是固体教研室,门外有写通知的黑板,我就在楼道的黑板前开启了人生第一次科研报告。

  由于进出教研室的人较多,报告中间或有其他老师加入,比如蓝国祥、丁大同两位教授,朱亚萍、李兵副教授,唐燕生高级工程师等。虽说有点儿紧张,但我还是充满信心地讲了提高掺镁铌酸锂晶体质量的方法,讲了二价掺杂镁和锌,讲了三价掺杂钪,讲了自己的工作设想。看到两位先生表情专注,并且都在认真做笔记,我颇有些得意。讲完后,以为先生们会表扬我,但出乎意料的是没有人说话,这让我倍感压力,刚刚有点儿骄傲的苗头被迎头一盆冷水浇灭。王先生打破沉默,说道:“有想法,这是好事,但文献阅读量不够,还需充分调研;抗光损伤系列掺杂的研究可以作为学位论文的主题,逐步展开,并制定详细的研究方案。”

  硕士学位论文答辩场面火爆

  提问角度刁钻让我应接不暇

  下午,王先生把自己申请博士点基金时做的关于掺镁铌酸锂晶体的文献调研报告给我复印了一份,那份报告纯手写,字迹工整、一丝不苟,洋洋洒洒一万多字,从历史到现状,从生长到性能,有表格、有图片,连文献都极为详尽,毫不夸张地说,它比很多正式出版的书都规范。这份报告让我极为震撼,让我对“先生”二字的认识更深了。这份报告我珍藏至今,是我从事科研写作乃至科研工作的范本。整理文献资料时我时常会翻开它,睹字思人,先生之风范,吾辈之楷模。很久以后温先生告诉我,王先生对我的报告还是满意的,但觉得我想法多,太发散,作为新人不宜多赞誉,需要多引导。

  王先生为人谦和,但在学术上要求非常严格,他的博士生毕业需要发表三篇论文。目前南开大学对博士学位的要求也只是两篇论文,以当时的通信条件,一篇论文即使顺利发表也需要半年,来回反复一年是很常见的。这就造成了王先生的博士生绝大部分要延期。

  我的硕士论文用WPS编辑,当时我还自学了五笔字型输入法,有60多页,接近博士学位论文的厚度。我自认工作努力,尤其是长晶体的那段时间,一个人吃住在实验室,连轴转两天,完成一个晶体的生长。基于硕士论文工作,我先后发表了四篇论文,虽然大部分工作在两年半内完成,但从时间上看,第三篇论文发表于1995年1月,那已是我硕士毕业半年后了。

  作为温先生的关门弟子,我的硕士学位论文答辩场面异常火爆,答辩委员会请董孝义教授做主席,蓝国祥、丁大同、刘思敏教授做委员,请秦巨光老师写的大字报,不但贴在五教、三教,还贴到了三食堂门口。我的工作也引起了沈寿春实验物理奖评奖委员会的注意,谭成章先生和评奖委员会的各位教授都参加了答辩会。同时三食堂的海报也发挥了作用,化学系和电子系的教授也来了。

  我答辩时发现下面坐的黑压压一片都是不熟悉的老教师,画风与我同学答辩时下面多是师兄弟明显不同。我顺利讲解了自己的硕士论文,提问环节开始还好,主要是由答辩委员会的教授们就我的工作内容提出质疑,但评奖委员会和外系教师加入后,提问就变得不受控制了,各种问题角度刁钻、千奇百怪,搞得我有些应接不暇。温先生作为导师,一副悠然自得、置身事外的神态,令我很是郁闷。后来我才知道,这是评奖委员会对我考查的一部分。

  到天津大学读博师从杨正方

  张光寅先生建议我再回南开

  考博有很多选择,我坚定地报了天津大学材料科学与工程系,并被顺利录取。读博的第一个学期,我被南开大学物理系授予沈寿春实验物理奖,80多岁的沈寿春先生亲自到三教309给我颁奖。奖品除了沈先生亲笔签名的证书,还有333美元奖金,我第一次接触外币,翻来覆去端详了很久。沈寿春实验物理奖由物理系设立,以光学教研室前主任沈寿春先生命名,奖励在实用技术方面工作出色的物理系学生。沈寿春先生是物理系创系主任饶毓泰先生的学生,毕业于北京大学,为南开光学的传承与光大作出了突出贡献。之所以叫实验奖,还是缘于南开的实验享誉全国,当时有“北大的理论,南开的实验”之说。

  冬天时突然接到消息,王先生病了,听说是因为工作太忙错过了两次体检,发现问题时到医院检查已是肝癌中期。虽然请了总医院最好的医生做手术,但还是没能战胜病魔,于1995年春天病逝。王先生曾担任中国物理学会光散射专业委员会主任、电介质专业委员会副主任,他和中科大的吴自勤教授主编的《固体物理实验方法》是高校普遍采用的研究生教材。他的去世是南开物理的巨大损失,尤其是对于凝聚态物理学科,两大支柱去其一。王先生住院期间,我作为学生值过几次班,先生在清醒时仍谦和地与我交谈,为我指点迷津。先生之高风亮节,弟子铭记于心。

  我读博期间主要从事氧化锆增韧莫来石的摩擦磨损研究,导师是杨正方教授。本来报考的是先进陶瓷研究所所长袁启明教授,袁老师已同意接收,但又找到我说,杨正方老师是新晋博导,错过了当年的招生目录,问我愿不愿意做杨老师的开门弟子。杨老师当时是先进陶瓷研究所副所长,主管日常事务,人如其名,品行端正、智圆行方,我问了杨老师的研究方向,知道和袁老师在一个大组,就同意了。

  有了硕士期间的科研训练,我的博士工作开展得非常顺利。前期文献调研时就写了综述文章,发表在《硅酸盐通报》上,主要工作先后发表在摩擦学主流期刊Wear上。博士的最后一年,我联系了中科院上海硅酸盐所的博士后,本来按照这样的轨迹,我后面的科研就与铌酸锂无关了。

  转折出现在博士论文答辩时。杨老师和张光寅先生的夫人史老师是同学,提到自己的第一个博士生要举行论文答辩,需要请外校博导做主席。史老师说:“我们家老张不就是博导吗?还是凝聚态物理专业,与无机非金属材料专业非常接近,不就是现成的人选吗?”就这样,张先生成了我的答辩委员会主席。答辩后张先生立刻找到我,与我谈了南开铌酸锂晶体的研究现状,谈了很久。

  我对硕士期间研究组的现状有所了解,毕竟两校一墙之隔,我大学及硕士的同学也有在南开继续读博士的。温先生退休、王先生去世、唐燕生老师退休,在出国下海潮中没有新人加入,整个组基本上靠李冠告副教授苦苦支撑。

  张先生预感到铌酸锂晶体组再没有新人加入将要散摊了,身为凝聚态物理唯一的台柱,他急切地想把坍塌的半边撑起来。张先生为人耿直、思路活跃,比较健谈,也敢说,大家经常看到他在大中路和别人聊天。他的夫人史老师说过,早晨张先生出门上班,中午打电话叫他回家吃饭,发现他还在去五教的路上和别人聊天。应当说,张先生在南开大学物理系,尤其是凝聚态物理最困难的时刻挺身而出,稳住了局面。他识人用人也是出名的,曾和陈省身先生同获南开大学首届伯乐奖。

  每个人的内心都有柔软之处,都有自己的情怀。铌酸锂晶体是我科研的起点,那里有太多值得回忆的人和事,那里也是南开物理的荣耀,我不想眼睁睁看着它凋零。与张先生的交谈,更多的是给了我一个回归的理由。

  筹建光电材料研发中心

  专注光子芯片基材研究

  我谢绝了上硅所,回到南开大学,做了张先生的博士后。当时光子学概念刚刚兴起,张先生敏锐地捕捉到科学前沿,在北京香山组织了国内首个光子学会议。南开大学的光子学中心也是国内最早的光子学中心之一,当时与物理系平级,主要由张先生大组的教师组成。我被安排在五教310,与张万林高级工程师一屋。1998年,我在张存洲教授的安排下与徐晓轩博士负责用“211”经费购买的显微拉曼光谱仪。同年,我申请到人生第一个科学基金──中国博士后科学基金。

  这时,张光寅先生的博士生许京军教授结束了在德国的洪堡博士后和奥地利的客座教授工作,回到南开,逐渐接过光子学中心的重担。他在五教120找了一个位置,安放我设计定做的电阻炉。当时近化学计量比是铌酸锂的研究热点,我从陈绍林工程师那里找一些以前加工丢弃的铌酸锂边角料,请他切成0.5mm和1.0mm厚的晶片,利用气相平衡的方法制备出近化学计量比铌酸锂晶体。虽然东拼西凑,但我还是高质量完成了博士后基金的研究工作,在国外知名期刊发表学术论文四篇,就铌酸锂的缺陷结构、氢离子占位、红外吸收谱等提出了新的见解,受到国内外同行的重视,目前的总引用次数达到170次,博士后出站报告也为国内同行及后续的研究生多次引用。

  1999年9月我博士后出站,获评副教授,留在了物理科学学院。同年,许京军教授获得国家杰出青年科学基金,学院将120平方米的三教105划拨给他使用,以示表彰。许京军教授安排了办公室、讨论室、实验室、洁净间。我将电阻炉搬到这里,并拥有了一张自己的办公桌。

  秦巨光工程师退休,张建华工程师去了计算机系,博士后的这两年,我眼睁睁看着晶体组日渐萎缩。2000年,南开大学泰达学院成立,冼国明院长邀请许京军教授到泰达学院建实验室。许京军教授召集我和黄晖、姚江宏、陈云琳、赵丽娟、张心正等年轻人商议泰达学院实验室的建设,决定先筹建晶体物理和超快激光两个实验室,由我负责筹建晶体物理实验室。我们找到陈绍林和黄子恒工程师,劝阻了他们换单位的想法,又找了李冠告老师,李老师对于晶体组的困境感触颇深,也同意加入进来一起攻关。

  2001年,南开大学光电材料研发中心正式成立,许京军教授担任主任,李老师和我任副主任。除了晶体组的老师外,光子学中心主要从事与材料相关研究的曹亚安、陈云琳等老师也都加入进来。我们又先后从天津半导体所和硅酸盐所引进了张玲和刘士国高级工程师,晶体组“转危为安”。我们研制了镁铁、锌铁、铟铁共掺铌酸锂晶体,获得美国发明专利。其他各项研究成果获得了2005年度国家自然科学奖二等奖、2005年度天津市技术发明奖二等奖、2012年度天津市科技进步奖一等奖。2017年,哈佛大学发布了“人类正在进入铌酸锂谷的时代”的公告,并指出“铌酸锂对于光学的意义可能等同于硅对于电子学的意义”。目前在这一具有战略意义的变革性技术领域,世界各国均投入了大量的科研力量,呈现激烈的竞争态势。作为光子芯片的基材,铌酸锂晶体必将在这一轮的技术革命中焕发强大的生命力。

  (口述 孔勇发 整理 刘焱)