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光电传感世界的铿锵玫瑰

来源:  发布时间:2017-07-28

——记燕山大学信息科学与工程学院教授毕卫红
  
本刊记者  肖贞林

  
  
  时代的风云际会,成就了毕卫红的气度与果敢。
  在光电传感方兴未艾的春天,她曾在借来的实验室中完成了几批学生的专业启蒙;也曾一周内辗转十几个城市“取经”,只为给燕山大学设立光学博士点争取更多胜算凭借一股浩瀚磅礴、绝不放弃的精神气儿,她持续搏击新兴学科飞翔的高度,行走在科研竞技的锋刃上。
  在燕山大学信息科学与工程学院进行采访的过程中,记者感到,这些诚恳的故事所记录的并不仅仅是一个独立人格的自我定位与自我期许,而是承载了一代科研先锋的理想与承担。
  
说求学:“我坚持相信长期、认真的努力”
  毕卫红爱笑,用学生的话来说“总是眼神清亮、笑容满面,是我们心目中的女神。”在高等教育资讯网的评师榜上,对这位1982年就上岗的科研大牛,用“德高望重”形容她也许更恰当些。但是,年轻人自有他们的标准,在他们看来,科研“语系”的严谨冷静,并不足以诠释她让人如沐春风的正能量。
  确实,专业选择、求学波折关于各种人生的大命题,由她讲出来的故事,也都是节奏轻快的欢乐小调。
  “我很小的时候,20世纪60年代,农村发展还很落后,树上挂个喇叭,能出声音,我就觉得挺神奇。喇叭后边也没人,又有音乐,也有相声,所以那时候就喜欢上无线电了。后来有个电影,对我触动也挺大,叫《第二次握手》,讲两个物理学家的故事,看完我就觉得应该为国家做点事儿,做点儿别人没做过的事情,有一定突破性的。这算是儿时的梦想吧。”
  1978年恢复高考,她考了全县第一名,那一年她18岁。“我其实并不知道全县第一是什么概念,听了老师的建议报了清华的无线电专业。实际上,农村教育条件相对落后,清华没有录取我,国家给我调剂到了东北重型机械学院无线电专业。我喜欢这个专业,大学期间一直努力学习着。直到1982年毕业时,各科平均分达到91分多,获得优秀毕业生。那时候学校缺人,就留下来当了老师。”那年她22岁。
  留校以后,首先要过教学关。毕卫红扎扎实实做了3年的助教,答疑做实验。闲暇之余,她把全国的电路教科书都收集起来,一本一本全部看完,接着把三套典型的习题一道不落地做完这些苦功夫,着实提升了她的“内功”,此后学生不论问什么问题,都能对答如流。3年之后,她顺利走上讲台,并成为燕山大学的电路与系统硕士研究生。
  这股铁杵磨针的“固执”,一直持续到现在,像“小太阳”一样,向身边的同事、学生散发着炙热的正能量。“我坚持相信长期、认真的努力会有收获;做好自己该做的事,每一件都要认认真真,做到问心无愧,这是我做事的原则。要么我就不做,要做就把它做好。”
  学校南迁并入燕山大学之后,需要扩大专业。此时,如果能够开启“上帝视角”俯瞰十几年后的科研潮流,所有的选择都不能称之为难题,但是在时代发展初露峥嵘的时刻,科研敏感度就显得尤为关键了。经过两年多的调研,毕卫红感到光学工程是未来发展一个比较好的方向,前景广阔,1997年开始建设了电子科学与技术(光电子方向)本科专业。1999年,开始招生;2000年,光学工程学科获得硕士学位授予权,同年该学科被批准为省级重点学科时正值学校南迁,鼓励扩大专业,系里再次申报了光信息科学技术专业。此时,中国大地已经迎来了电子工业蓬勃发展的春天,作为两个专业的带头人,毕卫红感受到了压力,如何带领学生和专业老师在光的领域闯出一片天地?身先士卒,是她认为缓解压力最好的方式。既然有新专业,她就感到自己从知识面上,应该对这些新专业有个支撑,应该有明确的研究方向,所以从2000年开始去哈尔滨工业大学读博士,当时的课题就是光纤传感,进一步拓宽了专业领域。
  
说科研:“方法总比困难多”
  三十而立,四十不惑。对毕卫红而言,年富力强的时光,永远是一程又一程的奔忙。
  2008年,她开始承担教育部重大技术创新项目“基于光电传感网络的水环境监测信预警技术”的相关研究。
  当时,随着现代工农业的快速发展,海洋生态的破坏和环境的污染日趋严重,尤其是近海海域的水污染,严重地影响了海洋生物的生存环境。但我国对海洋环境的监测手段,包括卫星遥感、雷达探测与航空遥感、巡逻艇取样监测和传统的化学及电化学分析法等几种方法分别有周期长、费用高、误差大、对监测人员专业要求高等不同程度的缺陷,急需一种准确实时、成本低廉、能进行全天候和全程在线监测的技术和系统。
  此时,美国、德国、日本、澳大利亚等国生产的水质监测系统、水质检测仪、监测传感器都已经可以应用于水质的连续自动监测了,而我国,传感器网络在海洋监测中的应用研究却刚刚起步,尤其是运用光电技术对海洋生态环境多参量实时监测系统的应用,尚无一例。
  毕卫红想到,既然光纤传感技术已成功用于大型建筑结构的长期定时安全监测;光谱技术在药品、食品及离线水质分析等方面获得了成功。那么采用光学传感网络的水环境在线监测与预警技术的研究是急需的、也是可行的”, “这样我们就开始研究用光谱技术来探索分析水质的情况,从2008年启动开始,我们的目标就是做小型的可以长期放入水中的光学水质传感器,运用光电传感技术和现代无线通信网络技术,研究海洋水环境参数的在线实时自动采集、处理、存贮与分析的快速监测和预警技术,并研制开发相应的系统。”
  2012年这个项目的研究和试制成功,不但填补我国在这方面的空白,为海洋生态环境要素的现场快速检测提供一套全自动、高精度、高可靠性的检测系统;这项成果可以应用到其他水资源环境的监测中,直接或间接减少水环境污染给国民经济带来的损失。毕卫红介绍说“海水和淡饮用水都是相似的,我们把整个水质作为一个大的研究方向,目标就是利用光学知识实时检测水质的状况,总结出水质变化的规律。从春到冬,四季交替,它的参数是如何变化的?我们燕大守在秦皇岛门口,光学工程是重点学科,利用光学原理解决了秦皇岛的水质问题,为地方服务;若能复制到其他地区,可让全国受益。”
  在团队集中力量探索光纤传感技术应用的同时,一个新的问题出现了:“光子晶体光纤有很多微孔,每个孔最小是一个微米,我们需要将两个光子晶体光纤进行对接,才能保证光顺利传过去。”这样的熔接机市场上买不到,故实验中需要做大量的实验才能接好和种光纤,而不同类型的光纤的熔接参数要重新摸索,费时费力费资金,这是一个光纤领域共性的难题。毕卫红打定主意“咱们自己做!”业内人士都知道,国家基金委的重点项目很难申请。特别是仪器专项,燕大信息学院历史上还没有成功申请先例。而且,自第一根光子晶体光纤在英国问世以来,其奇异特性就已经引起了国内外学者的极大关注,但光子晶体光纤熔接技术一直处于探索性研究阶段,没有实质性的应用突破。项目如果成功,我们可以收获中国自主知识产权,填补国内外光子晶体光纤熔接机的市场空白,促进光子晶体光纤在光通信、光纤传感和光电子器件开发等领域的应用;一旦失败,诸多人力物力财力的投入,都将付诸东流。因此,在项目申请阶段,包括合作机构在内的很多行业人士,都对项目能否取得成功持观望态度,压力之大,可见一斑。这个项目毕卫红组连续申请了3次,2009年,国家自然基金仪器专项“光子晶体光纤熔接机的研制”正式立项。
  毕卫红规划的科研路线图是极为清晰的,但是一旦投入实战,麻烦还是接踵而至。“第一,1微米的小微孔想要对接,首先需要采集图像,知道每个图像什么样,它偏差在哪儿。上下偏差、左右偏差、小孔之间的偏差都得了然于心,所以首先要有成像系统,然后进行识别,这是一个难题;第二,在加热的过程中,必须知道能量是多少,这些微孔有的大有的小,需要的能量也不一样。这样,在识别光纤断面的时候,得判断它的能量需要,大量计算要求我们建立一个公式。还有,它的光纤有的是空心的,有的是实心的,周围被空气孔包围,需要的能量又是完全不同的。为此,我们发明了一种新的方法,就是通过调整加热源——光的变化频率,控制温度场的分布。想让里面热外面凉,或是让外面热里面凉,都能够做到,这是我们最大的突破之一。”毕卫红用浅显的语言为我们耐心解释到,“还一个难题,光纤在熔融的过程中,都是平放的,而加热过程中有个重力,熔的稍微温度高了,它会垂下来变塌。所以我们必须得算好,在这种条件下,它下沉的力是多大,让这个力保证在一定张力范围之内,又刚刚塌不下去,所以我们建了一个力学的熔池和热学的熔池,这是我们攻关过程中很大的难题。”
  面对层出不穷的“拦路虎”,从申请、立项到成功验收的5年中,整个团队像拧紧了发条,殚精竭虑、废寝忘食,为了早一天取得突破,春节万家团聚的夜晚,实验室的灯光也没有熄灭过。
  2012年,项目成功验收,团队申请了专利。相关论文发表后,引起了国内外业界的广泛关注。一向以走在科技前沿著称的日本同行主动联系项目组,提出以3倍的价格购买技术进行产业化。 “项目组里的年青人都舍不得,不能把大家的心血卖给日本人。所以,我们现在准备和国内生产光纤熔接机的厂家合作,实现成果的国产化。”
  “在选择课题的时候,我始终有个想法,科研的出发点是要找到国家或目前遇到的困难,无论是国家的还是行业的,要有真正的应用前景,你用技术去解决了困难,这个科研过程才有意义。不要怕困难,方法总会比困难多。”
  出于同样的初心,2010年,毕卫红还带领团队参与了“973”项目“新型光子晶体光纤传感器的基础研究”。“因为燕山大学制造出了我国第一根空芯光子带隙光纤、独特的高非线性微结构光纤和具有波长上、下转换的特殊性能微结构光纤,所以国内同行对我们的专业实力还是很认可的。在这个背景下,我们参与了天津大学主持的这个“973”项目。”她介绍到,“这个项目中,做光栅遇见的困难比较多。传统的光纤两个都是实心的,而光子晶体周围有一堆空气孔,与光纤相比,使用传统方法光栅轻易刻不上去。因此,我们提出了一种全新的PCF光栅写入方式,并建立了相关理论。”这是这样,毕卫红带领她的团队攻克一个难题又一个难题
  
说学科:“内因、外因共同作用的成果”
  2003年,毕卫红博士毕业后回到燕大,开始担任信息学院系主任,之后是副院长、院长。正所谓“大海航行靠舵手”,她心里明白,学院要在波澜壮阔中领略更美的风景,就要树立起一支永远向前的桅杆。
  刚担任系主任时,系里的科研条件说得上是“一穷二白”,实验经费不足,学生没有基本的实验条件,连光学平台也没有;教师人数不多,还要承担学校的专业基础课;加上“211”院校评估时正逢学校南北搬迁,错过了机会,所以很多优秀的学生,反而不愿意报考这所老牌重点高校;但光学工程学科的历史积淀是毕卫红一直引以为傲的:“我们学科的几位老先生:郑绳楦、李斌祥是学科的创始人;引进的于荣金、侯蓝田是国内相关领域的顶级专家,他们把学科的研究带到了国内乃至世界的前沿”,目前的困难是如何使科研平台满足科研的需求,如何让年轻的队伍的科研能力快速提高,成长。
  乐观开朗的毕卫红,面对这些麻烦没有一点怵头:“遇到困难不要绕道走,想尽一切办法去解决就行了,不论条件有多差,你得完成你的学科任务,得教会学生知识才行。”
  早期没有实验室,她就带着学生去天大做实验;没有实习环境,她亲自带领学生南下浙江光学仪器厂做认知实习和生产实验;她经常与主管领导汇报学科的发展规划,反映专业发展的制约因素。千头万绪的日常工作,挫不尽她身上的锐气。终于,学校拨款300万,组建了3个实验室。
  与此同时,为了尽快弥补学科人员严重不足的状态,毕卫红主持采取“引进来送出去”的策略,引进和自培养博士20余人、并选拔了数名优秀人才送到国外培养。
  她说:“至于985和211,这些名号是彰显实力的标准之一。所以对我们来说,提升实力、发展特色是最为关键的。十几年前我们定义的光电子是从光的信息采集、传输、处理、存储这四个角度去研究的,我们做专业计划的时候首先就想到,燕山大学的特色是什么。如果以光纤为主,通信光纤是常规的,我们就搞特种光纤,从光纤的制备、器件到传感应用,3个大方向定下来,就确定了整个学科的方向。”
  有人说,大学是一个区域兴旺发达明确无误的标记,而学科水平则是一个学校文化与实力的缩影。建设好一个学科,在毕卫红看来,是内因与外因互相作用的成果。“从内因来讲,作为一个学科负责人要做好规划。任何一个学科都有很多领域,究竟我们研究些什么,能够有哪些特色,一要规划出方向;二要有与方向对应的人才。不但需要有引导性地去组织团队在既定的学科方向去发展,还需要建立相应的激励措施。这样大家都更有干劲。领导的决策、团队的构建、政策的激励,这三者我认为是缺一不可的。”
  “而从外因上来讲,做科研需要通过交流保持信息的通畅,第一保证不落后;第二保证不重复,这样你做工作才有特色,有意义。同时,在交流过程当中,让外界了解你课题的先进性和前瞻性,也会获得更多的认可与支持。”
  2004年,毕卫红担任了信息学院副院长,除主管全院的教学之外,还负责建立了光学工程博士点。光学工程博士点建设过程当然不是一蹴而就的,博士点的设立需要全国有博士点单位的专家投票,“当时包括我们校内的很多同事也觉得这个学科能评上博士点希望不大,但是我就觉得,只要有1%的希望,我也会100%的去争取。”为了让更多的人了解燕大信息学院,她在一个星期内,走了十几个城市,向各位专家介绍自己学科的特色;最后授权答辩的10分钟时间,她整整准备了一个月答辩稿和相关佐证材料:“这10分钟时间,你要把学科的先进性、前瞻性都说明白,每个字都是要千锤百炼的,每句话都反复推敲,每篇论文、项目和奖励相关内容要熟烂于心。”苍天恩赐勤劳人,燕山大学光学工程一级学科博士点终于获批,“我非常感谢当时的电气学院院长关新平教授、材料学院院长和研究生院的领导给予的支持,更感谢校院领导对我的信任”。2006年底他们还建立了“河北省特种光纤与光纤传感重点实验室”。
  2007年,毕卫红开始担任信息学院院长,在她任职的6年里,她倾注了全部的心血完成了燕大信息学院的蜕变,不单全院担当的国家基金项目从两项迅速飞跃至十余项,而且还成功地申请了电子科学与技术一级学科博士点、计算机科学与技术一级学科博士点、软件工程一级学科博士点、河北省虚拟现实与集成制造重点实验室,成功设立了软件学院并获批了特殊收费标准。
  
说团队:“科研工作者,要勇于敢于打破常规”
  建立博士点,对燕大光学工程学科而言,是一个意味深长的时代符号。至此,毕卫红团队克服了种种困难,形成了从学士到博士学位授予权的完整体系和特色鲜明的研究方向。与此同时,一支极富战斗力的师资队伍也基本组建完毕。队伍中除刘彬等6位教授外,其它学科骨干都是70后、80后博士,提及他们,毕卫红不无自豪。
  齐跃峰:博士,教授。研究方向为光子晶体光纤及器件。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省重点基础研究项目,作为主研人员参与“973”项目1项,完成企业合作横向课题2项;参与完成国家自然科学基金以及河北省自然科学基金项目多项,获河北省科技进步奖二等奖1项。
  张燕君:博士,教授。研究方向为光纤传感与信号处理。目前主持河北省自然科学基金项目和河北省科学技术研究与发展计划软科学研究项目各1项;完成中国博士后基金项目、河北省博士后基金、省科技研究与发展项目;参与完成了国家自然科学基金仪器专项1项、河北省自然科学基金项目2项。
  刘丰:博士,教授。研究方向为光纤传感、光电检测及信号处理。近3年主持国家自然科学基金1项,河北省自然科学基金2项。作为项目主研人参与国家自然基金仪器专项基金,教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金。获河北省科技进步奖二等奖1项、河北省科技进步奖三等奖1项。
  徐朝鹏:博士,教授。研究方向为光学晶体材料的结构设计、制备与应用。现任燕山大学信息学院光电子系副主任。主持国家“863”子课题、河北省应用基础研究项目计划重点基础研究项目、河北省高等学校科学技术研究重点项目、中电科技集团公司第46研究所创新基金。完成河北省自然科学基金项目1项。
  付广伟:博士,副教授。主要研究方向光纤有源无源器件与应用等。近5年,主持国家基金面上基金2项、省部级科研项目2项,并参加多项国家级和省部级科研项目;作为主研人的国家基金仪器专项“光子晶体光纤熔接机”得到了专家的高度认可,填补了国内外市场的空白。获河北省科技进步奖二等奖1项、河北省科技进步奖三等奖1项。
  刘浩然:博士,副教授。80后,毕业于法国国立应用科学学院,曾获法国优秀博士论文,河北省首批青年拔尖人才。主要研究方向为智能传感器与控制算法方面的研究,现任光电子系副主任。主持完成国家自然科学基金和国家重大科技专项子课题各1项,主持省部级项目3项。主持鞍钢、港口等多项企业课题。近5年来获省部级奖一等奖1项、三等奖4项。
  王伟:博士,副教授。主要研究方向为光子晶体光纤的光学特性分析与优化设计;稀土掺杂光子晶体光纤及其光谱特性分析;光子晶体光纤激光器与光子晶体光纤传感。主持国家自然科学基金青年基金1项,河北省自然科学基金青年基金等省部级项目3项。参加国家“973”计划项目和河北省科技支撑项目各1项。在国内外期刊和国际会议上发表论文30余篇,其中SCI检索11篇,EI检索13篇。
  付兴虎: 博士,副教授。主要研究方向为特种光纤及其传感与通信中的应用研究。获2014燕山大学“新锐工程”人才称号与支助;主持国家自然科学基金青年基金项目、河北省自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上项目、上海市特种光纤与光接入网重点实验室开放课题项目、燕山大学博士基金等项目面上基金工作。在国内外期刊和国际会议上发表论文20余篇,其中SCI检索10篇,EI检索17篇。并获得25项发明专利授权。
  ……
  对这些年轻有为的骨干团员,毕卫红常常会提醒他们:“科研工作者,对新生事物要敏感,要勇于创新,敢于打破常规,在科研的道路上要做好挑战困难的心理准备,遇到困难不要绕道走,要想尽一切办法去解决,而不要轻言放弃。”在她的鼓励下,团队上下一心近3年获得省部级二等奖2项、三等奖5项,发明专利11项,发表论文347篇,出版教材和专著4部,在光子晶体光纤熔接机的研制、微结构光纤制备与表征、智能电网系列传感器等项目中取得了代表性研究成果。
  眼看着院系建设一天天走上正轨,毕卫红似乎可以舒一口气了,但“放松”二字还只是停留在嘴上说说而已。
  无论是几十年前那个和第一志愿失之交臂的农村学子,或是十几年前要带着学生四处“蹭”实验室的年轻教师,再或者是那个虽有包举天下雄才的气概与却苦于团队不被人所知的院系带头人,毕卫红都曾经像一个大雨中没有伞的孩子,积极与坚韧告诉她:“全力奔跑,才能拥抱更多的希望。”时至今日,在本科教学的一线岗位上,在博士生课题方向的反复探讨中,更是在又一个前沿方向——光学器件集成相关课题开启前,她需要奔波的,还有很多……
  是的,志在山顶的人,哪会贪念旖旎的山腰。
  
  

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2024年3月

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