【专题访谈】师生同悟道、共精业、同启惑、共创新 —访清华大学电子工程系范崇澄教授(一)

2021-01-19 11:50:33

范崇澄,清华大学电子工程系教授(退休),美国光学学会会士(OSA Fellow)。曾任清华大学电子工程系学术委员会主任、学位委员会副主任、校国际学术交流委员会副秘书长、中国通信学会光通信专业委员会副主任等。主要从事光无源器件、模场直径测试、高速大容量波分复用系统、光纤放大器、光纤光栅、光纤非线性演化及其对策、光波导理论等方面的工作。担任多项与密集波分复用光纤传输系统相关的部委重大/重点项目的负责人或技术组长。2007年应邀在光纤通信领域顶级国际会议OFC全体大会上做主旨演说(Plenary talk),是1975年OFC成立以来首次由中国人做此类报告。获清华大学“研究生良师益友”(2002、1999、1998)以及若干国家部委奖励等。

范崇澄老师

 

喜欢英语的少年

1937年8月,七七事变爆发月余,范崇澄出生于北平。父亲是协和医院儿科医生,1941年末日军占领协和后,举家前往天津开立私人诊所。那时,家后面就是日本兵营,周六晚上偶尔有老乡偷偷来卖点米(藏在衣服夹层),周日绝对不许出家门,如果迎风呕吐出大米,是要当经济犯枪毙的!1947(十岁)夏,开始上小学六年级前,母亲因其胆小,让他和大一岁多的哥哥(小学应届毕业生)范崇治一起参加中考,先体会一下考场。结果他在无任何准备的情况下侥幸和范崇治一起考入工商中学(教会学校、天津名中学之一、现名天津实验中学),同班同座,(附:想不到从此一直到在清华上同一专业和留校从教,都在他照顾之下!)各科多有名师,受到相当严格的学业培养(1953年高考时,60人左右的班级有10人考入清华),个人尤喜语文和英语。体会到它们都是先有语言后有语法,后者必定例外极多,只能当必需忘掉的拐棍而绝不能当依靠。熟背课文和课外读物,才能用把某个中/英文意思自然而准确地用另一种语言脱口而出。加之英语老师发音很标准,使其受益终生。除自身成长和学术交流外,在清华大学外事工作范崇澄中也显现出了英语特长。1985年曾参加首届中美大学校长(双方各十位)会议,范任同声传译之一(语言能力和工科知识同等重要);在撒切尔夫人等政要访问清华时参加校长会见并回答专业问题……。后经天坛医院研究,范的脑中有两个语言中枢。外语的小小“天赋”有先天因素,完全不值得炫耀。这是后话。

由“小顽皮” 到比较自觉

1953(十六岁)秋参加高考,本想报外国语学院,不巧的是该校该年不招生。而巧合的是,他和范崇治同时以第一志愿考入清华大学无线电工程系电真空专业,同班同宿舍!在一二年级时,由于是专业第一届,所上的课程不算太难,如数学仅是别尔曼的《高等数学简明教程》。记忆中的那时,他志向未萌,在多数人眼中,他还是一个“小顽皮”:时值重要的基础学习阶段,他上课却每每走神,对着教室窗外发呆,满脑子都是志愿军英雄战斗故事、苏联现代作家和巴尔扎克等的小说,结果成绩平平,对以后的提高有很大影响(基础课是毕业后提高和发展的根基,在相当大的程度上能决定以后事业的广度和高度,所以劝大家千万千万别这么做)。

大一在立斋复习功课

 

1955秋进入大三,开始学习专业课,每学期只有1到两门重点课程,时间比较充裕。范崇澄开始努力读书,同时利用英文优势,在校、系图书馆大量借阅英文参考书和期刊杂志,非常有利于加深理解,学业也明显进步,第一学期即得了一个全五分。后来,在张克潜老师讲授的有关电磁场理论、微波技术以及陈仁怀老师讲授的有关电子光学等课程中,通过自己大量查找英语课外阅读材料,逐步提高了独立获取知识、评论各种解释、比较不同学说的能力。

悟道、精业与启惑—做研究生的经历和体会

1957年11月,范崇澄提前半年毕业,参加张克潜老师主持的微波组的教学和科研,任助教。了解到《微波技术》和《微波电子管》两门重点专业课的实验,都是张老师在“以实验室为家”精神指导下一手筹建的,这自然而然成了范参加工作后学到的第一课。1961年秋,在毫无思想准备的情况下由系里指定成为脱产研究生,师从张克潜教授。时值经济困难时期,北向的宿舍内冬天寒冷异常,范崇澄只能手握一杯热茶来回踱步;夏天暑热难耐,又经常以馒头夹冰棍充饥。但这些远远抵不过他的收获:这正是他在讲过专业课后能有针对性的补基础和对已有知识加深(把‘老师讲的’、‘数学的’,变为‘自己的’、‘数学和物理统一的’)的大好时机。至今不忘的一个小例子:作为本征函数的正交性,用于矩形波导的正弦、余弦函数自然成立;而用于圆波导的贝塞尔函数在数学上则必需用半径r加权才能正交。范崇澄总觉得贝塞尔函数的这一数学特性‘太麻烦’。这时才猛然悟道:物理上,加权后rdrdφ才正好能像矩形波导中dxdy一样表示面积元!不但不“麻烦”,简直是“上帝”的安排!稍大一点的例子:对于微波技术矩形波导的基模,给出传播方向和某瞬时电场方向,如何根据物理本质将磁场、面电荷、面电流、位移电流的分布全部画出;再大一点的例子:麦克斯韦方程因何仅用四个方程(不算物质方程)就必要而充分了?他自己的答案是:它们通过电场/磁场的散度与旋度完整描述了电场和磁场从何而来。又如,在英语学习中,孟昭英教授的一些特定的发音规律(如telephony, photography, geography等的重音都在第二而非第一音节;而processor的重音是在第一而非第二音阶等),纠正了他不少“顽固性”错误,一生不忘。

1961年冬某日,他与其他位研究生来到张克潜老师位于筒子楼的家中,就微波理论中周期结构的Floquet定理展开展研讨。时值困难时期,为犒劳大家,师母已在家外过道中煮上了一锅老玉米。室内师生各抒己见,讨论热火朝天,一同悟道。在老师总结后,大家饥饿难耐,急着要吃玉米。出屋一看,连炉子带锅,早已不知所终。既有趣又有深意的故事至今令人回味,更初步培养了范崇澄在以后的教学和科研中逐渐质疑韩愈《师说》中的“传道、授业、解惑”原则,而自觉奉行师生一起“悟道、精业、启惑”的规律。这比研究生业务教育本身重要的多。

在研究生各科考试中,范崇澄取得了较好的成绩。印象较深的两门课一是我系电磁场专家杨弃疾教授的《高等数学》,素有要求高之名,范顺利拿到5分。二是张克潜教授的《微波电子学》,众研究生一起抽题,张老师看到范崇澄抽到的题纸中,第一题是“空间电荷波”理论,立刻说:“这题目你熟(注:平日研讨较多),重抽一张!”天呐!第二次抽到的重点题是求解一种复杂周期性慢波结构的色散方程。可以拿回去做。直到半夜二时许终于解出。题“眼”是周期结构尺寸远小于波长,故部分可用静电场近似求解。这正是物理本质、破题要领。上午,在电子部12所吴鸿适教授主持的答辩会上,他的结果与导师张克潜的答案仅一系数之差,且物理概念清楚,也侥幸得到了满分。“物理上一定要说清楚”是范崇澄在接受研究生教育期间的又一重要体会。

不做研究生,在任务中锻炼

在研究生课程只差最后一门(又是著名难课——杨弃疾教授的《电磁场理论》)未考、实验研究工作已经开始的情况下,让范崇澄毫无准备做脱产研究生一样的“神反转”又来了:不做研究生,立即投入重点科研任务!范崇澄倒是十分高兴:研究生完全没白当,学到的真本领和体会不少,在老师们的培养下,业务上、思想上、眼界上都提高了相当一截,与研究生名分完全无关(他只有研究生的入学记录而无毕业记录)。原来,在电子工业部第十研究院院长王诤主持下召开的关于研制远程预警雷达等项目的方案论证会上,张克潜教授(清华大学无线电系电真空教研组主任)提出的采用大功率脉冲行波管作为末级功率放大器件的新方案通过,并承担了科研任务,成立了相应的研究室。范崇澄立刻全力以赴地参加了项目。在张克潜的领导下,范崇澄参加了总体设计和微波系统(含慢波系统和输入输出耦合装置)的设计、特性模拟和冷测。此外,寄生振荡是行波管放大器的大敌,殷志强老师发明了在耦合缝周围涂敷吸收材料的方法,有效抑制了缝通带的寄生振荡。可惜的是,正在全管开始热测时,文化大革命把项目彻底扑灭。直到七十年代中期,范崇澄自绵阳分校带学生到贵州凯里771厂实习时,得到厂长王书善(本专业1967届毕业生)的大力支持,该管研制成功。王厂长后来告诉我们,该项成果已成功转产。

大改行:由微波电子器件转光通信

文革前,范崇澄在浏览国外专业学术杂志时,看到有关大功率微波器件的文章,大部分可以看题目就能“猜”到内容是不是值得写的新东西。而文革后回到北京,第一次到图书馆看上述杂志,竟两腿发抖:连标题都看不懂了——已经改成了半导体器件和集成电路!他知道已经到了必需改领域的时候,并为自己确定了两个原则:基础知识与原专业相通(不必重新打基础)和足够新(不必掘地千尺就能得到有实用意义的成果),结果是——光(在绵阳分校时已“业余”看过Tamir 的《集成光学》)。

在教学方面,80年代初给本科生和研究生开出了《导波光学》课,在此基础上,1988年以他为主,编辑出版了《导波光学》一书,受到广泛欢迎。九十年代及以后,随着光通信技术的迅速进展和本研究所光纤通信水平的提高,他逐渐把原书扩展成电子版,可以随时修改、扩充,最重要的是任何人均可下载。全书以‘光波导理论的一般问题’、‘耦合波理论’、‘阶跃和渐变折射率光导纤维中的场解’、‘信号沿光波导传输时的弥散’、‘单模光纤光纤中的双折射和偏振态的演化’、‘光纤光栅’、‘有源掺杂光纤和光纤放大器’和‘光纤中的非线性’等内容为重点,书中融入了许多本人及其他导师研究生的深刻物理理解和创造性研究成果。

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    在张克潜老师讲授的有关电磁场理论、微波技术以及陈仁怀老师讲授的有关电子光学等课程中。参加张克潜老师主持的微波组的教学和科研。
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