导师有话说：研究生初级阶段该如何度过？ | 李志远专栏⑤

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作者 | 华南理工大学 李志远

上一次，我和大家讨论了研究生的预备阶段，需要培养独立自主查阅文献的能力，与导师良好互动，尽早进入科研状态。今天，我将和大家分享一下我的研究生初级阶段，在这一阶段，我重点培养了“读文献、听报告、思考问题”的能力。

初入物理所

确定研究方向

1995年9月，我完成了在中科大一年的委托培养，离开合肥到中科院物理所报到，成为物理所正式在编的博士研究生。

我们这些新生大部分住在物理所402实验基地，即现在的M科研大楼所在地。当时物理所没有食堂，但宿舍楼安排了厨房和灶具，学生们自己做饭，不少人早早锻炼出了“下班买菜做饭、上班读书搞科研”的本领，生活和工作兼顾，全面发展。我在402基地呆了一年多，后搬去了中关村33号楼，还是早中晚自己做三顿饭，其余时间在物理所做科研，或步行或骑自行车。对我这样一位来自农村家庭的青年，我不觉得苦，也不觉得时间不够用，日子过得很充实，另外，还节省了生活成本，一举多得。

当然，日子充实也是因为科研进展比较顺利。从20世纪80年代开始，杨国桢和顾本源两位导师及他们指导的若干位硕士和博士研究生师兄师姐一直在标量光学的理论框架内利用光的标量衍射理论（建立在惠更斯-菲涅耳原理之上的光传播理论）来求解激光在空间中的传播行为。标量光学抽离了光作为电磁波的矢量特性，只考虑其中一个电场分量，认为其完全代表了光波传播的行为，可以说它是更加严格的矢量光学（光的电磁场演化理论，以麦克斯韦方程组为核心）的一个兼顾精确性和简单便利性的近似理论。

激光束波阵面通过一个衍射光学元件后会在出射面上具有任意空间振幅和相位调制函数，而该函数又与激光继续传播到达指定观察面处的光场振幅和相位分布存在函数关系。两位导师通过分析两者之间的关联，提出了一个问题：当一束激光（波阵面上的振幅和相位分布函数已知，如处处相等的平面波或中心亮周围暗的高斯光束）入射到一个衍射光学元件上时，为了使得观察面上产生特定需求的光场强度分布，如产生一个或多个聚焦的光斑、从高斯光束转化为均匀的正方形光束等，出射面上的光场相位应该是怎样的分布函数？

对于普通读者，甚至是光学领域的大同行而言，这个问题有点拗口。通俗地说，该问题考察了一个黑匣子，有入口（出射面）和出口（观察面），假设看到了出口部分的关键信息（比如光场强度分布函数），要问入口信息是什么。进一步地，可以对出口的光场强度分布提出要求，要问入口的信息应该怎么设定才能满足要求。这是一个典型的逆向求解问题，要根据输出端的部分信息猜测或者演算以确定输入端的全部信息，是当时学术界公认十分困难的问题。逆问题广泛存在于物理、化学、生物、通讯、遥感、监控等领域，即使放到今天，也是一道难题。基于此，人们发展出了多种求解方法，如GS算法、杨-顾算法、模拟退火方法、神经网络算法、深度学习算法、机器学习算法等等，不一而足。细心的读者可能还发现了这个问题和当今热火朝天的人工智能有很高的相关性。

针对以上的光学输入-输出逆问题，结合石英玻璃材质的衍射光学元器件的特点（出射面的振幅等于入射激光束的振幅，相位等于入射激光束的相位加上衍射光学元件施加的额外相位，正比于元件厚度），两位导师将该逆问题转化成更加简单的相位恢复问题：给定观察面（输出）的光场强度分布函数，求解出入射面（输入）的光场相位（或者厚度）分布函数。大大简化了问题后，两位导师建立了逆问题迭代求解的方法，被同行称为杨-顾算法，应用于一般激光光束整形问题（比如单波长和多波长平面波激光聚焦、非均匀高速光束整形为均匀平顶光束等等），功效很好，理论获得了巨大的成功。

接手科研任务

扬长避短

我的第一项工作是应用杨-顾算法验证一个简单的问题。对两个狭缝进行光学显微成像，能够分辨多小间距的狭缝？两个狭缝的光场相位分布如何？答案很清楚：受显微镜的衍射分辨限制，当两个狭缝光场相位为0^o和180^o时，分辨最清晰。我应用杨-顾算法做了一维建模、公式推导、计算机编程和数值模拟，得出来的结果和预期的一致，说明杨-顾算法对于解决经典光学问题的有效性。

这一段时间我最大的收获是学会了计算机编程，使用FORTRAN语言将数学公式翻译成计算机语言，简单直白。直到现在，我还是只会使用这种原始但是高效率的计算机语言编写程序求解物理和光学问题。对于现在常见的C 语言、C++、Python，以及其他的机器编译语言、人机接口语言、仪器驱动程序等，我都没有感觉，更不用说编写中大型的软件了。我从中认识到，我需扬长避短。我的物理基础好，知识面广，就发挥这方面的长处，专心致志地修炼，加深对各种物理规律的理解，扩充对物理学各个分支乃至与其他大学科交叉的知识和技术的了解，发挥综合性多学科交叉的统一思考和模型建立方面的优势。

我在物理所学术交流会学到的

那个年代，物理所除了拥有国内一流的图书条件和仪器设备，中国物理学最好的一批学者都聚集在中科院物理所这一方100亩不到的小天地：活跃在科研第一线的老一辈科学家李荫远、郭可信、范海福、李方华、章综等，也有像赵忠贤、杨国桢、解思深、陈立泉、张殿琳、许祖彦、顾本源、张道中、周均铭等中国某领域杰出的中年学者，自然也不乏年轻一代在国际学术界崭露头角的王恩哥、张杰、薛其坤、张泽、王玉鹏、沈宝根、高鸿钧、汪卫华等等。

这些中青年学者不少人担任物理所各个课题组的组长，思考凝聚态物理、理论物理、光学、等离子体物理、材料科学等领域的世界科学重要和重大问题，详细介绍研究进展，也不吝于披露所碰到的最难啃的硬骨头，给全体研究生营造了浓浓的学术氛围，这里有知识的海洋，里面流淌着高深学问的蜜和奶。我在物理所学习、工作不到四年的时间里，有太多的机会近距离接触他们的音容笑貌，聆听他们对于物理学诸多重要问题的理解。对于一个有情怀、有追求的年轻研究生，这是一方神圣的土地，可以敞开胸怀，尽情地去吸吮这些无尽学术营养。这是一个距离巨人肩膀最近的地方，年轻人足够努力就能够爬上巨人的肩膀，也有更多的机会成为学术巨人。

学术氛围最浓的还得算一年一度的物理所学术交流会以及后来的凝聚态物理中心学术交流会。物理所的老中青学科带头人、所领导、实验室主任、课题组长等悉数出场，除了物理所的职工和研究生以外，还有来自全国各大物理领域的单位派来交流的代表。除了祝贺和见证这一传统学术盛事外，大家还要学习先进知识、成果和经验，洽谈科研合作事宜。当然，每次年会都会邀请国内多位久负盛名的资深物理学家以及中国科学院的领导作为特别嘉宾，如杨振宁、李政道、彭桓武、黄昆、周光召、路甬祥、冯端、陈佳洱、闵乃本先生等等。在三天的会议里，将会听到物理所和各课题组的年度工作进展、代表性学术成就和下一年度工作设想。报告人倾心尽力，毫无保留地把自己最好的成果、最好的想法与全国的物理学界同仁们分享，气氛非常活跃，会场里面流淌着浓郁得化不开的学问。全国物理一家人，交流了感情，加深了友谊，大家有一个共同理想，努力奋斗，把中国物理学搞上去。

这样的学术盛会我从来不缺席。虽然我的博士专业是光学，但是当我坐在大报告厅里，聆听所长、课题组长做报告并和来宾们对各种物理问题交流看法时，心神不由自主地沉浸在凝聚态物理、光物理、等离子体物理、理论物理、应用物理、材料科学专业等物理学的知识海洋中，学习新的东西，慢慢熟悉了许多新技术和新思想，见识了许多老中青科研骨干如何领导课题组做科研，观摩他们如何做学术报告。物理所的年度学术交流会为我这样的入门级研究生打开了一扇科学的大门，有机会去见识科研的事、人、物等各个环节，自己也慢慢地思考和揣摩其中的道理，获得了很好的教益。

向矢量光学进发

一切早有安排

经过几年的熏陶，我对物理所的若干优势研究方向有了较为全面而粗浅的了解，极大地扩大了自己的知识面。同时，这么多新鲜的科学知识和重要的科技问题也极大地激发了我的好奇心和学习动力。现在回过头去看，这一段经历塑造了我个人的科研风格：广泛涉猎，多学科交叉，强强联合，协同合作，寻找解决重要和重大科学问题的契机和途径。而做出这件事的最好方法就是认真学习，努力提升自己和团队的能力，同时在几个领域和方向变得强大，实现内部强强联合。过去十年的实践表明，这样的一套理念实施效果还是很好的。

有了心灵感悟，还得有实际行动。1996年初，两位导师——杨国桢老师和顾本源老师可能认可了我的勤奋态度和科研能力，和我协商，决定安排我去探索进入一个新的领域——矢量光学，研究光通过衍射光学元器件时完全考虑光作为电磁波的全矢量特性。两位导师可能早已在思考这一领域，但还从来没有工作经验，可能没有找到合适的人选。毕竟在20世纪90年代，没有电磁场模拟计算软件可供使用，一切都得靠自己建立模型，从麦克斯韦方程组出发，推导公式，编写计算机程序，问题的复杂性远超过标量衍射理论光传输的范畴。两位导师的安排冥冥之中和我一年前在科大图书馆自学文献资料所思考的问题相契合，而我已经做好了准备。

作者简介

李志远，男，教授，博士生导师，华南理工大学物理与光电学院副院长，主管研究生教育和科研。研究领域涵盖微纳光子学（包括光子晶体、近场光学、光学超材料和超表面、等离激元光学等领域）、光镊技术、非线性光学、激光技术、拓扑光子学、纳米显微成像、微纳尺度光物理和量子光学、基础电磁学理论和基础量子物理理论等。

1994年毕业于中国科技大学物理系，1999年中科院物理所理学博士，获“院长特别奖”，博士论文获得2001年度“全国百篇优秀博士学位论文奖”。1999-2003年先后在香港科技大学、美国华盛顿大学、美国衣阿华州立大学和美国能源部Ames实验室从事科研工作。2005年获国家杰出青年科学基金资助，2011年获中国光学学会“王大珩光学奖”。2014-2016年任职中国科学院物理研究所任研究员、课题组长、光物理实验室副主任，中国科技大学物理系兼职教授。2016年10月起任华南理工大学物理与光电学院教授、博士生导师，人工光、声微结构物理实验室主任，物理与光电学院副院长。兼任《光学学报》、《科学通报》和Advanced Optical Materials编委。发表450篇左右的SCI论文，被SCI引用27000次以上，2014年入选汤森路透全球高被引科学家，2016年入选爱思维尔中国高被引科学家。

编辑 | 吕璇

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END

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