一项科研成果终于发表的感叹

李俊昌

三年前，曾准备完全淡出科技界潜心书画。感谢2020年8月国防科技大学的邀请，让我能在该校主办的庆祝激光诞生60周年的研究生暑期学校进行线上讲座，向来自国内外90多所院校的学员认真地讲述了我经过数十年努力取得的相干光成像的研究成果。昨天，改变了50多年来国内外一成不变的近似计算理论的第三篇研究论文在国内《光学学报》发表了。感叹之余，做了一个美篇文件。

我是云南大学物理系1967届学生，改革开放让我能专业归队，1980年从工厂调入昆明理工大学任教。感谢当年物理系给予的出色教育，在不惑之年获得出国进修及从事科学研究机会时，还能读懂1968年美国工程院士顾德门所著，我国1976年翻译的光学名著《傅里叶光学导论》第一版。 1986年，利用书中的相干光成像近似计算理论，在国际科研合作中解决了一项强激光工业应用的重要课题——提出并从理论上论证了一种强激光强度均匀变换的光学系统，从此开始了近40年的科学研究生涯，对光学名著《傅里叶光学导论》有深厚感情。 1986年发表的研究论文受到广泛关注，在法国标致汽车公司的支持下，基于理论研究成果进行了实际光学系统的设计及验研究。结果表明，该装置可以有效对强激光强度均匀化，对提高材料表面的激光热处理质量有重要作用。然而，由于相干光成像的近似理论只能在特定的近似条件下计算像光场的振幅分布，不能解决应用研究中像光场之间的干涉问题。为能让理论计算获得的激光强度分布与实验测量相吻合，必须人为地引入像光场的相位分布。这篇包含着近似理论存在问题的论文1993年发表了。

当现有的理论不能圆满解决实际问题时，建立相干光成像的准确计算理论成为我努力研究的目标。经过长期认真研究，终于导出可以准确计算像光场振幅和相位的计算公式。后来，计算公式的数学推导及初步实验证明写入2002年在科学出版社出版的《激光的衍射及热作用计算》一书。

2020年，顾德门教授于2017年发表的《傅里叶光学导论》的英文第4版的中译本发表了，这部内容更丰富的近代光学名著无疑是我们要认真学习的经典著作。然而，第4版仍然保留了第1版只能近似计算像光场振幅分布的理论，该理论与诺贝尔奖获得者玻恩—沃耳夫（Born & Wolf）所著《光学原理》中等晕区近似下描述的成像理论相似。 50多年来，两名著中的相关干光成像的近似理论一直被国内外专著及教材广泛引用。

相干光成像的精确计算理论在近代光学精密检测中有重要作用，2016年英国《自然》杂志一篇论文在引用《傅里叶光学导论》中的近似理论后，提议科技工作者能建立可以准确获取像光场振幅和相位的数学方法。 当看到这篇论文并意识到我曾经导出的相干光成像计算公式的科学价值后，2016~2017年间，曾将该成果整理成文，在国内外多个科学杂志投稿。然而，得到的回答基本是“理论推导无误，但不适合在本杂志发表，建议投其它杂志”。估计是该工作涉及对两部光学名著的理论修改，所有杂志都持谨慎态度。

“实践是检验真理的唯一标准”，由于理论研究已经得到大量实验证明，为能让该成果能及时地为国内科技工作者服务，2017年，我对该研究工作再进行了认真的理论分析及实验证明，并将其写入我和熊秉衡教授主编，适用于国内本科及研究生教学的《信息光学教程》第二版。

让我非常高兴的是，该书被科学出版社列为国内普通高等教育“十三五”规划教材，被清华大学等十多所知名院校的相关专业用于本科及研究生教学。

应该说，研究成果写入国内信息光学教材后，相干光成像的计算理论才逐步引起国内学术界的关注。2018年，应上海光机所周常河及司徒国海两位专家的邀请，向该所的研究生进行了专题讲座。特别是2020年8月应国防科技大学周朴教授邀请在国防科技大学进行的视频讲座后，清华大学曹良才教授及中国激光杂志社马沂老师先后将该视频放入清华大学云盘及中国光学前沿在线栏目，在国内产生了广泛影响。

基于上述工作，我觉得，相干光成像的理论成果及其应用研究应该有可能写成科研论文在国内发表了。在昆明理工大学年轻教师及其研究生实验研究的支持下，去年和今年，三篇非自媒体的研究论文终于先后在《光学学报》及《激光与光电子学进展》发表了。在此，要衷心感谢两杂志的总编、编辑及国内对论文评审的每一位专家。

以下，依次简要介绍这三篇论文。

2021年6月发表于“光学学报”的论文基于所导出的相干光成像理论，不但重新定义了成像系统传递函数的物理意义，而且从理论上证明，光学名著《光学原理》中假设的等晕区不存在。 2021年10月发表于“激光与光电子学进展”的论文通过理论分析及实验，将所导出的相干光成像理论与现流行的近似理论进行比较，直观地证明了计算理论的正确性，被列为该杂志的特邀论文......

事实上，基于所导出的相干光成像公式，可以较好地回答著名科学杂志《Nature》2016年的论文“Standardizing the resolution claims for coherent microscopy”提出的问题。

2021年8月，我应邀在国内全息与光信息处理委员会年会上以“像面数字全息像的完整探测及重建”为题作了学术报告，对6年前《Nature》杂志上述论文提出的问题给出具有较好的理论支持及实验证明的答案。报告内容整理成文后，便形成2022年7月发表于国内“光学学报”的第三篇论文。

回顾改革开放后不惑之年才开始从事科学研究的历史，几乎可以简要的归结为：基于大学积累的知识重新学习计算机技术及光学名著《傅里叶光学导论》总结的标量衍射理论，进行了以衍射数值计算为主的激光应用研究。

然而，应用研究中发现，光学名著介绍的相干光成像理论不能圆满地解决实际问题，通过坚持不懈的努力，最终对相干光成像理论进行了补充和完善。

这段历史给我的体会是，认真学习前人总结的理论是开展科学研究的前提。然而“实践是检验真理的唯一标准”，当现有的理论，那怕是得到人们尊崇的经典理论不能圆满解决实际问题时，要有挑战这个理论的决心和勇气。但要达到预期研究目标，锲而不舍及持之以恒的努力是必经之路。

谨期望这篇简短的文字，能为正进行着努力科学研究的年轻一代提供有益的参考。

在国防科技大学的讲座视频于2021年初先后放入清华大学云盘及中国激光“光学前沿在线”栏目。有兴趣详细了解相干光成像计算理论的读者，可链接以下两个网址。

清华大学云盘链接网址：
https://cloud.tsinghua.edu.cn/f/20d812f80176496dbd76/

中国激光“光学前沿在线”链接网址：
http://opticsjournal.net/columns/online?posttype=view&postid=PT210112000094qWtZw