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褚君浩:赤子传
——记中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员褚君浩

作者:本刊记者 吴 彪  来源:科学中国人  发布时间:2018-04-18

导读:  当时,国内外的博士生待遇差距很大:在美国有两万多美金一年,而国内是80多元一个月,一年约1000元人民币。留美的诱惑不可谓不大,但褚君浩没有动摇,而是选择了留在国内。1984年,他成为我国自主培养的第一位红外物理博士。

   他,是中国自主培养的第一位红外物理博士,发现了最完整的用于研制红外探测器的碲镉汞红外本征光吸收光谱,发展了碲镉汞能带结构理论和光跃迁理论,提出了碲镉汞禁带宽度、吸收系数、折射系数等多个有关碲镉汞基本物理性质的重要表达式,建立了窄禁带半导体表面二维电子气子能带结构理论,解决了碲镉汞红外焦平面材料器件研制中涉及窄禁带半导体光电激发动力学的重要基础问题,促进了我国航空航天红外探测器技术的发展。
  他,身为院士,心系科普,平均每月做1〜2场科普报告、担任《十万个为什么》丛书《能源与环境》分册主编、撰写了近百篇科普文章,因在科普领域的杰出贡献而获得首届“全国创新争先奖章”。
  他,勇于承担参政议政的社会责任,关注国家大政方针与科研领域的研究进展,积极为国家科技政策的制定建言献策,促成多项国家相关法案的修订与完善。
  他,就是中国科学院院士、华东师范大学信息科学技术学院院长、中国科学院上海技术物理研究所研究员褚君浩。
  

幼时启蒙 终生追求


  回顾褚君浩的科研生涯,他与红外物理的结缘并非“一见钟情”,而实属无意之举。
  褚君浩的父亲褚绍唐先生是我国第一位地理教育学硕士生导师,我国著名地理教育家、历史地理学家。受父亲影响,褚君浩从小就喜欢看家里订阅的《科学画报》《科学大众》等科普杂志和科学家传记,且动手能力极强,时不时做些小发明。小学五年级时,褚君浩做成了第一个科学小制作:一只“天文望远镜”。他找来两块一大一小的凹凸镜片,再用硬纸板做成望远镜的外壳,装配出一只“土土的”望远镜,用来看月亮比肉眼所见时放大了将近一倍。
  上中学后,褚君浩迷上了物理学。在徐汇中学念初三时,他从图书馆借阅《从近代物理学来看宇宙》《眼睛和太阳》,以及天文学方面的教科书,高中时就阅读了《原子物理学》《科学家奋斗史话》《相对论ABC》等科学类书籍。虽然只能读懂小部分,但对科研的兴趣已经在少年褚君浩心里萌动。高二时,他开始写论文探究一些问题,比如《相对—绝对观念的初步探讨》。
  1962年高考时,褚君浩只填报了一个专业——物理。“当时我的想法就是,非物理系不上!”值得注意的是,在上海师范学院物理系学习及接下来的10年物理老师生涯中,褚君浩感兴趣的都是理论物理,对相对论、基本粒子等理论目眩神迷。
  1978年我国恢复研究生考试,在中国科学院院士严东生先生的推荐下,褚君浩参加了中国科学院上海技术物理所的研究生录取考试。尽管在物理领域学习、工作多年,但他一直接触的多是理论物理,此次报考的却是红外及半导体物理。隔行如隔山,“我过去并不了解半导体材料学,也不能称得上喜欢这个专业,而且我完全没有接触过半导体物理学,可以说是一个彻头彻尾的‘门外汉’。”褚君浩说。
  但正是这位“门外汉”,硬是凭借本科学习打下的基础自学了黄昆和谢希德的《半导体物理学》,将其中的公式来回推导,终至融会贯通,在半导体物理考试中取得90分的高分,以总分第二名的成绩顺利进入中国科学院上海技术物理所。他师从中国半导体科学和红外技术开拓者之一、著名红外物理学家、中科院院士汤定元,开始了在红外物理领域的科研生涯。
  那时,褚君浩跟随汤先生研究远红外探测器材料碲镉汞。攻读硕士期间,汤先生交给了褚君浩一个难题——测量出碲镉汞红外本征光吸收光谱!要知道,这是一个世界级难题,当时国内外研究人员都未攻克,而汤先生将这个难题摆在了一个初窥门径的硕士研究生面前。被导师交待了这样一道“超纲”的题目,褚君浩却并没有惶恐不安,反而从容接下了任务,磨刀霍霍地展开了探索。一个轻描淡写地布置了任务,一个淡然地接下,在旁人眼中不可思议的事情,这师徒俩却顺理成章地做了,并且成功了。
  褚君浩说:“要做出碲镉汞红外本征光吸收光谱,必须要解决一个如何测量高吸收系数的问题,需要将材料磨到很薄的程度,而这就需要大量的样品。”值得注意的是,这种样品的价格十分昂贵,全数购买并不现实。所幸,当时研究所里有其他的小组在生长这种材料,且自愿赠予褚君浩以供研究。“有他们提供的大量样品资源作为后盾,我最终发现了碲镉汞红外本征光吸收光谱,解决了这个国际难题。”褚君浩说,“当初同事给我的样品袋我一直保存在办公室的抽屉中,因为这不仅仅是一个个样品,也是合作精神的体现。”
  硕士毕业之际,褚君浩有了留学美国的机会,汤先生却建议他在国内攻读博士继续自己的研究方向,以求更进一步。当时,国内外的博士生待遇差距很大:在美国有两万多美金一年,而国内是80多元一个月,一年约1000元人民币。留美的诱惑不可谓不大,但褚君浩没有动摇,而是选择了留在国内。1984年,他成为我国自主培养的第一位红外物理博士。
  1986年3月,受洪堡基金会邀请,褚君浩来到德国慕尼黑技术大学从事客座研究,在柯霍教授的实验室参与半导体二维电子项目研究工作。当时,在研究二维电子跃迁过程中,他遇到一个难题,即要求远红外激光器非常稳定,而实验室的远红外激光器非常不稳定,每回做实验时,几乎连5分钟也稳定不了。不仅是他,德国的年轻博士们对此也一筹莫展。当时他想出很多办法反复实验,经过一连几天的观察、摸索,弄清了这台仪器的运作原理和运作方式,在一周内把仪器调节到可以连续稳定工作6〜8个小时,令一向严谨的德国人佩服不已。
  

点线成面 荣誉等身


  在褚君浩的心中,国家利益、社会责任始终摆在最重要的位置上。在德国两年零10个月的时间里,他从事的研究项目与中国科学院上海技术物理研究所原来的研究密切相关。“与国外相比,当时国内的研究条件很有限,我非常珍惜这个机会,利用外国先进的实验设备,吸收他们先进的研究方法,那段时间的成果和经验对国内今后的研究是一次很好的积累。”
  也是因为对祖国科学发展的责任感,1988年,当中国科学院上海技术物理研究所召他回国时,褚君浩义无反顾地举家回国。作为一名科研工作者,他始终牵挂着国家利益和社会责任,且义不容辞地身体力行。
  回国后的褚君浩科研成果井喷,渐入佳境。其致力研究的碲镉汞带间跃迁光谱等14项结果,作为标准数据和关系式被写入《科学技术中的数据和函数关系》;获得国家自然科学奖3次、部委级自然科学奖或科技进步奖10次;在担任红外物理国家重点实验室副主任、主任期间,实验室被连续4次评为国家A级实验室。
  具体而言,他发现了窄禁带半导体碲镉汞带间光跃迁本征吸收光谱,发展了碲镉汞能带结构理论和光跃迁理论,提出碲镉汞禁带宽度关系式,被国际上称为CXT公式,获得广泛引用并认为与实验结果最符合;建立了窄禁带半导体表面二维电子气子能带结构理论,发现碲镉汞禁带带间跃迁、杂质跃迁等基本光电跃迁特性,提出吸收系数、折射系数等多个表达式,确定了材料器件的光电判别依据;解决了碲镉汞薄膜材料和焦平面列阵器件研制中涉及的重要基础问题,发展了碲镉汞材料器件设计理论。
  2005年,褚君浩撰写的《窄禁带半导体物理学》中文版出版,汤定元院士在序中评价这本书是“全面综述窄禁带半导体有关研究成果的国际上第一本专著”。同年,褚君浩当选中国科学院信息技术科学部院士。
  多年来,他在碲镉汞领域的研究由点到线,连线成面,最终取得了多个方面的创新成果,并运用于中国风云卫星、神舟飞船等红外系统材料器件的研究,促进了半导体学科的发展,为我国红外物理和技术应用的发展作出了贡献。美国碲镉汞物理化学国际会议主席A·Sher认为,褚君浩的成果“不仅赶上世界水平,而且在某些方面走在国际前列”。
  近年来,其研究方向向铁电薄膜材料倾斜,开展了铁电薄膜材料物理和非制冷红外探测器研究,成功研制了PZT、BST及PVDF铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热成像。
  作为博士生导师,褚君浩认为,在指导学生时,比传授知识更重要的,是培养他们的探索精神。“要想真正做好学问,首先要选好方向,这是研究的起点。在选择之前做好调查,确定一个有前景的方向,一旦确定了,就不要轻易改变。其次就是在合作进程中要有团队合作的精神;最后要在工作中找好切入点,切入点找得好的话,你会发现随着研究的加深,越来越多的问题等待被解决,循序渐进地探索后,研究成果就连成了一片,形成自己的研究领域。”这是他多年研究的心得,也是给学生们的指路明灯。这些年来,他已培养70多名博士,其中获得全国百篇优秀博士论文奖2名,中国科学院院长特别奖2名、优秀奖2名。
  

心系科普 矢志不渝


  与大多数低调的科研人员不同,褚君浩的知名度很高。这个知名度,指的不是在同行中,而是在民众中——他被民众亲切地称为“心系科普的院士”。作为一位国际著名科学家,他并不满足于科学研究的原创性探索,而是更热心地将科学家的成果向公众推广,尤其注重科学家探索新知的精神在青年一代人中的培育和传承。他说:“做科研只是一种能力的体现,而科普则会让年轻科学家更多的能力得到锻炼与发挥。”
  关于自己的科普之路,褚君浩这样描述:“做科普,先是有兴趣,另外自己也能讲讲,到后来觉得是责任,再到后来觉得也是学问。”
  褚君浩对科普的情感从幼年就扎根了。曾经,科普读物使他树立成为科学家的梦想,是推动他走上科研道路的源动力之一。因此,褚君浩深知,好的科普作品,带给人的不仅是知识和好奇心,更有缜密的逻辑思维、锲而不舍的科学精神。他回忆说,当时边看书边做笔记,记录下点滴思考,至今他还保留着一本本泛黄的读书笔记。
  早在当中学老师时,褚君浩就在报刊上发表了20多篇科普文章,出版科普著作。1978年,他加入上海市科普作家协会后,更是积极组织、参与各类科普活动。1986年,他在九三学社发起举办“科技与社会”论坛,策划组织12场重要报告,请钱伟长、严东生、曹天钦等著名科学家为公众解疑释惑。这一系列科普讲座逐渐使褚君浩的科普工作不再仅仅是个人化的兴趣爱好,而成为上海乃至全国科普工作的重要组成部分。上海世博会期间,沈允钢、郭重庆、杨雄里、范滇元、张永莲、王恩多、褚君浩等多位院士以“九三学社上海市委科普讲坛”顾问团的身份参与“相约名人堂——与院士一起看世博”活动,围绕植物与城市生活、后世博上海经济社会发展、脑科学等话题,与市民分享前沿科学理念和思考。2012年,他组织举办“解读科学类诺贝尔奖”系列科普报告会以及“回望阿西莫夫、繁荣原创科普”研讨会等科普活动。
  “我有个能耐,就是把复杂的东西讲得简单,把不容易懂的事情讲得明白,做科普效果比较好。”褚君浩颇有几分自豪。曾做过多年中学老师的他,科普时十分讲究因材施教,科普内容也因人而异。他为不同听众群体量身制定科普报告:面对中小学生,他喜欢讲科学家的小故事,激发他们探索科学的兴趣;面对社会大众,他聊科学常识,也聊“物联网”等最新科技动态,解读公众对科学问题、社会现象的疑问;面对公务员、产业界人士以及各行业领军人士,他讲高科技发展趋势,从光电信息获取联系到智慧城市建设,从光电能量转换联系到可再生能源和低碳城市建设,将科学的理念和思想传播给他们,希望有利于决策制定的科学性。
  褚君浩做科普很讲究原则——立足于自己的科研领域做科普。“没有研究过的,我不随便涉及。”但他也会拓展,从科学发现,到技术发明,到产业应用,最后到社会发展这个路线做科普。比如,他会讲光电能量转换、光电信息获取等自己研究领域的内容,同时还会拓展到物联网、智慧城市、低碳等相关内容。
  “这是一条从科学发现,到技术发明,到产业应用,最后体现社会发展趋势的拓展线路。”褚君浩说,这样才能把科普的格局做大,眼界做宽,立意做高。“能做好科普的科学家,科研才可能有大格局。”褚君浩一直这样教诲学生,因为能让别人听得懂专业艰深的东西并对之感兴趣,说明自己对专业的理解一定十分透彻深厚,同时自己的逻辑表达也会受到训练,反过来促进科研能力的提升。
  作为国家“973”项目首席科学家和多个国家重大项目负责人,褚君浩的工作日程安排得很满,但只要有单位邀请他去做科普报告,他总是来者不拒:“时间挤挤总是有的,我愿意多做些科普工作,这也是院士应尽的社会责任。”2017年,因在科普领域的杰出贡献,褚君浩获得首届“全国创新争先奖章”。
  

参政议政 身体力行


  褚君浩对于什么时期该做什么样的事情有着明确的规划:旅德期间,作为一名科研人员,他能做的就是贡献自己的研究力量,因此受到中国科学院上海技术物理研究所召唤时,他毅然回国;而在顶着“院士”的桂冠后,他感到自己可以为国家和社会做得更多,于是积极地参政议政,将一生所秉持的科学信念,深深地融入为国为民的济世情怀中。
  2002年,褚君浩担任九三学社上海市委副主委、九三学社中科院上海分院委员会主委。2003年起,褚君浩连续担任两届全国人大代表。说起参政议政,他认为这与科研工作并不冲突,“我觉得很有劲,参政议政是让社会责任具体化,把科研环境的相关问题与它结合起来,既凸显特色又有现实意义,给我这个发表意见的权利,我就应该尽义务推动科研环境的改进、促进科技的发展”。
  他积极宣传光电技术在能源、环保领域的研究进展,先后提出可再生能源产业发展和政策方面的多项议案和建议,促成多项国家相关法案的修订与完善。基于对光电技术在智慧地球和低碳地球建设中的应用研究,2009年褚君浩担任上海市政府参事后,为上海市建设提出系列建议。他建议发挥科技优势,利用核心技术发展低碳经济,使上海世博会开成一届低碳世博会,其报告得到温家宝、李克强和韩正的批示。在“上海2010参事国是论坛”上,褚君浩作题为“科技创新促进上海低碳经济发展”的报告,指出“新技术是种子、政策是土壤”,呼吁大家关注新技术生长环境,特别是政策环境,指出只有良好政策土壤才能将优秀技术种子孕育成更大成果。
  在褚君浩看来,哪怕身份标签再多,他所做的不外乎3个部分——从事科学研究、向公众普及科学知识、为国家科技政策的制定建言献策。“这3件事情是我工作的3个方面,我主要研究物质光电过程,做科普和参政议政都是在这个方向上展开,它们彼此关联,相得益彰。”而在这3个身份之上,萦绕其中、始终不变的,是赤子般的济世情怀。

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