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【启梦成电】林先其:电磁空间的“隐身梦”
——记电子工程学院林先其副教授
文:王晓刚 图:王晓刚 来源:新闻中心 时间:2013-07-03 5431

   “我们期望的隐身效果,大概有两种:最完美的一种就是使探测器成为‘睁眼瞎’,完全看不到隐身目标;次之,则是使探测器产生‘电磁幻觉’,‘头晕眼花’。”林先其说,“比如把一架战机看成一只飞鸟”。

  然而,在现有的技术水平下,要使探测器产生“电磁幻觉”,已经对隐身材料提出了严峻考验;更勿论要实现“睁眼瞎”的隐身效果了!即便隐身材料随着1968年前苏联科学家V.G.Veselago的“左手材料”设想提出获得了革命性的突破,但理论与实践之间依然隔着十万八千里。

   在科学史上,一个看似离奇的理论预言要被后人证实,往往要等待十几年、几十年或者更长的时间。因此,“隐身”材料在工程实现上的极大难度一度使学界认为,要在材料方面获得新的突破,几乎是不可能的,至少这个新的理论预言要被尘封许多年。

   “隐身梦”果真要终结于此吗?林先其不信这个邪。在他看来,“隐身梦”没有结束,它才刚刚开始,“隐身技术”还是一大片有待开垦的“处女地”。

东南飞:投师学艺

   林先其1999年考入我校电子工程学院微波工程系,一脚踏进了电磁学领域,从此矢志不渝、一钻到底,并为此后的学习、研究打下了坚实的基础。2003年6月,他以优异的成绩从成电毕业,获当年的“四川省优秀大学毕业生”荣誉称号,并以学校“师资生”的身份,飞赴东南大学进行硕博连读。

   “之所以去东南大学,一是因为东南大学的电磁学研究实力当年全国排名第一;二是因为研究隐身技术——目标特性与识别的著名教授崔铁军在那里工作!”林先其说。

   崔铁军现为东南大学长江学者特聘教授、毫米波国家重点实验室副主任。2003年9月,林先其进入东南大学毫米波国家重点实验室,师从崔铁军继续向“隐身”技术进发。

   虽然学界已经提出了“左手材料”的理念,但是自然界中并不存在这样的超材料,又由于当时技术上的限制,使得研究只是停留在理论层面上,并且在随后的30年里没有得到大的发展。直到2001年,美国加州大学圣迭戈分校的D.R.Smith等人利用周期性排布的细铜导线和开口谐振环,首次制造出在微波波段同时具有负介电常数、负磁导率的人工电磁材料,并在实验中观测到了负折射现象从而证明了左手材料的存在。

   然而,即便如此,直到2003年还有许多学者认为这是伪科学,并一直争论到2004年前后才确定“它真的是一种科学,确实具有科学规律”。“机遇与挑战并存嘛,越是觉得不足的地方,反而越具有发展的潜力!”林先其说,“当时,崔老师就敏感地觉得,新型人工电磁材料可能是一个重要的研究方向,可以深入做一做。我当时做的工作就是这种‘超材料’的工程实现研究。”

   超材料也称人工电磁材料,是指“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。”若用林先其的同门师弟刘若鹏(现为深圳光启高等理工研究院院长)的话来通俗解释,即“传统的材料先是考虑材料的性质如何、能干什么,然后再去运用,而超材料是逆向设计的,是想要什么样的材料功能就去定制设计实现”。超材料研究内容分别于2003年和2006年两次被《科学》杂志评为年度十大科技进展之一。超材料的提出与实现极大拓展隐身材料的可应用领域,也为新隐身技术的工程实现提供了保障。

   硕博连读期间,林先其在这种材料的工程实现方面做了深入研究,“通过微观结构的设计来达到宏观层面的等效”,取得了丰硕成果。其毕业论文《微波段新型人工电磁结构的实验与应用研究》在2011年获得了“全国百篇优秀博士论文提名奖”。

回母校:潜心科研

   2008年6月,林先其博士毕业,加入电工学院樊勇教授的科研团队。回校后,他将新型电磁材料的研究与团队的工程项目相结合,进行交叉、融合、创新。“除了坚持原有的研究之外,还考虑如何将新型人工电磁材料应用到微波、天线、抗干扰、电磁诱导透明等领域。”林先其说。

   林先其的这种交叉研究,可以推动新材料、新工艺、新结构和新方法的系统应用,具有长远影响。例如,基于超材料的天线隐身机理研究,不仅可以提升电磁场与微波技术领域的基础研究水平,还可通过天线隐身的方案,提高天线系统的反探测和抗干扰能力,满足军用或者民用电子系统的急需。

   到目前为止,他已获得了一系列有影响力的成果:在应用物理类顶级期刊APL上发表论文,提出了电磁诱导透明EIT的高性能实现,解决了工作带宽与群时延增加无法同时实现的问题,为EIT的工程化奠定了基础,受到该期刊评审专家的高度评价;在APL以及微波工程类顶级期刊MIT上发表的两篇文章,提出了超材料的可重构及宽带实现,拓展了其参数调节以及工程应用范围,被引用达48次。

   基于超材料,林先其研制出了一系列高性能的微波毫米波器件以及天线等,发表有三大检索的第一作者以及2S论文36篇,授权发明4项;并提出了电磁波束控制、凋落波放大的工程化方案,合作发表有影响因子大于2的SCI论文5篇,其中单篇最高被引用102次。他也因为出色的研究,获得了连续两次“破格”:2009年破格晋升为副教授;2011年又破格成为博士生导师。

   不过,林先其在“超材料”领域的研究并不止于此。“现在的超材料,主要是‘宏观等效’材料,相对于过去的材料当然具有很多优越性,但是,它也有很大的缺点,尤其是在集成电路时代!”林先其说,“系统集成化之后,系统与系统之间的间隙就很小了,这就对超材料提出了更高的要求,即‘微观等效’”。

   如果这一步能够实现,那将是“震撼性”的成果,对新型电磁超材料的工程应用包括梦寐以求的“完美隐身”产生不可估量的影响。不过,路漫漫其修远兮,要做到这一点,还需要林先其以及更多的科研工作者上下求索。从读本科时发生兴趣,林先其研究相关技术已有十余年,“这只是我迈出的一小步吧,后面还有更大的发展空间、更多的研究工作需要做!”

育英才:以启来者

   正因为超材料以及隐身领域具有太多的“未解之谜”,因此,它不仅吸引着林先其孜孜不倦地沉浸其中,也促使他不遗余力地投入教学工作,以培养更多的后备人才。

   从2008年6月执教,不到一年时间,他就被任命为省级精品课程《微波固体电路》课程组负责人,总结梳理历任教师的教学经验,并在此基础上探索教改方案,以更好地培养学生的创新精神和创新能力。

   他十分重视培养学生的创新意识。“如果是做超材料的研究,我更看重学生的理念或者想法。”林先其说,“当然,考虑到工程实现问题,我也会鼓励他们结合工程指标进行交叉研究,但我首先要做的就是不断鼓励并呵护他们的创新理念!”

   “我们每周都要举行小组会,林老师要求我们阅读英文顶级期刊上的最新文章,然后一起讨论”。电工学院2010级硕士研究生吴杨生同学说,“林老师让我们保持对前沿科技的敏感!”3年前,吴杨生跨专业考入电磁场专业,目前已发表多篇论文,以至于林先其骄傲地称赞他“创新意识尤其强烈”。

   从2010年开始带研究生,到目前为止,林先其前后指导过4届的9名硕士生以及2名博士生,并指导4届本科生成功申请大学生创新创业项目18项,其中国家级8项,校级10项;指导靳俊叶、王璐宇、刘潇潇等三名同学分别于2010年、2011年和2012年获得IEEE Undergraduate/Pre-Graduate奖学金。

   不仅如此,林先其还注重培养学生的综合能力,“期望他们以后能够独当一面”。每次去谈项目,或者参加比较重要的学术会议,他都尽量争取带学生去,让学生在亲身体验中锻炼、成长。

   “英国的帝国理工学院的Pendrg教授,就是因为研究超材料而被封为爵士的;每年在Science、Nature以及Phyiscal Review Letter等国际顶级学术期刊上都有超材料以及隐身技术相关研究报道。由此可见,这个研究方向还是大有可为!”林先其说,“国内在崔铁军教授等人的带领下,已经涌现出刘若鹏等一大批优秀的学生,我也希望能够在电子科大这块热土上,培养出更多优秀的学生,为我的‘成电梦’和学生的‘成才梦’添砖加瓦!”

 

编辑:小路  / 审核:小路  / 发布:小路