为什么在昏暗的环境中，我们能够通过夜视仪清晰地看到周围的景象？为什么在医学成像中，医生可以通过微小的光纤探头观察到人体内部的细节？这些成果的背后都隐藏着一项复杂而精妙的技术——光纤传像。
近日，记者跟随北京市科协、北京科技记协组织的“首都科技人”宣传活动，走进中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“中国建材总院”），听光纤元件所副所长张磊讲述在光纤传像领域不断探索的故事。
“追光”前行，破解“周一谜题”
2004年，张磊考入中国地质大学（武汉），专攻材料科学与工程。大学期间，他加入一个矿物材料研究课题组，以矿渣为原料，研发和制备微晶玻璃，开启了他对玻璃材料的“追光”之旅。本科毕业后，他考入北京工业大学继续攻读硕士，深耕玻璃材料领域研究。但那时，玻璃材料是一个较为小众且偏门的领域，他凭借大学微晶玻璃的研究基础，开始了国内液晶显示用基板玻璃配方和工艺性能的研究。也正因在在玻璃材料方面的专业优势，研究生毕业后他入职了中国建材总院。
张磊介绍，光纤传像产品是玻璃材料利用光的全反射原理制备而成的。当光线以大于临界角度的入射角自高折射率介质入射到低折射率介质时，会在两种介质的界面上发生全反射，如果将这种全反射限制在设定的空间内，使这种全反射连续不断发生，则可实现光线的受控传输。依据这一原理制成的光学纤维，就可以使光能够像水在水管里流动、电流在导线里传输一样，在设定的空间内实现定向、受控传输。而当数千万根直径微米级的光学纤维丝规则排列，熔合成一体，就制备成了光纤传像元件的坯板。
光纤传像元件的坯板可以制备成不同功能的光纤传像元件产品，如经过180°扭转成型，就制备成了光纤倒像器产品，能够实现图像的180°倒转传像；如经过拉伸成型，可以制备成光纤光锥产品，实现图像的放大缩小传输。光纤传像产品最重要的一个特征就是“光学零厚度”，因为光纤传像元件就是利用光学纤维点对点的传输特性，在输入端将所传输的图像分解成以光学纤维直径为单位的微小像元，每个像元在每根光学纤维中独立传输，在输出端组合成完整的图像，从而实现图像的高保真传输。
中国建材总院研发的光纤传像元件产品
回忆入职中国建材总院以来的职业旅程，张磊向记者讲述了刚入职时自己发现的一个小规律。刚进入到光纤传像元件热压部生产线上实习的他，遇到了当时生产线上一个棘手的问题：热压成型后的光纤坯板在后续的加工过程中出现了炸裂问题。尽管他当时刚入职参加工作不久，但对生产线上问题的认识却很敏感，通过大量的生产数据的统计工作，他发现：一周中每天坯板的炸裂比例是不同的，其中周一的炸裂比例明显低于其他几天。
为什么会有这种现象？张磊细心分析规律，反复对比数据，深入生产线调研，最后发现原来是由于周末休息，车间的保温箱降至了室温状态，所以周一开工时保温箱的起始温度相对较低，使得产品在保温时的降温较快，坯板在后续加工中就不容易炸裂；而从周二开始，由于保温箱持续工作，保温箱内的温度会一直处于高温状态，产品就容易因为降温慢而使得坯板在后续的加工中产生炸裂。
这次看似普通的统计规律，却由此解决了光纤传像产品生产过程中的一个重大质量问题。凭借对细节的敏感性和善于解决问题的能力，张磊被调到了光纤传像元件生产最核心的技术部门——扭转成型部，光纤倒像器是光纤传像产品中占比最重的产品，张磊作为项目负责人，开始独立承担光纤传像元件的自主研发和新产品开发任务。自此以后，他一直扎根在科研生产第一线十余年，先后负责并主持开发了旋转差速扭转成型、毛坯自动化加工、全自动机械手拉丝等光纤传像元件关键制备技术，这些技术不仅降低了人为因素对产品的制约和影响，提高了加工效率、尺寸加工精度，减少了人工操作强度，同时降低了对人员操作的依赖性，使产品的合格率提升了15%-25%。
传承精神，突破传统桎梏
一谈起一路“追光”走来的工作，张磊眼神里就充满了自信而谦逊的光。
光纤倒像器是微光像增强器图像输出的显示端窗，是夜视仪的核心关键材料。它是由成千上万根微米级光学纤维规则排列后加热熔压成型为坯板，再将坯板两端固定、中间加热软化后经外力使所有光纤绕坯板几何轴同步旋转180°后制备而成。它是配套近贴式微光像增强而研制的，用于微光夜视、空间探测等领域，对于成像探测系统的分辨能力、探测距离、目标识别精度等性能和使用可靠性有着决定性的影响。
中国建材总院经过数代人的艰苦奋斗努力和技术传承，建成了我国首条具有完全自主知识产权的集科研、产品开发、质量控制及工业化制备的光纤倒像器研发生产平台。其中光纤倒像器双向差速旋转扭转成型技术的突破是张磊“追光”科研工作中尤为重要的一段旅程。
在传统的成型技术中，光纤倒像器的生产往往面临加热不均和应力分布不均等问题，在高精度传像设备中，这一缺陷会导致图像传输发生畸变，使得传像模糊或失真。为此，张磊想到了让光纤倒像器坯板旋转起来受热受力。但更多难题接踵而至：需要几个电机驱动旋转？以什么方式旋转？怎样保证在旋转过程中，光纤倒像器不会被扭碎？……为了给出答案，他和团队起早贪黑的工作在实验室中，经过多次的失败和千辛万苦的调试，最终研究出了双向差速旋转扭转成型技术。
这种技术打破了传统思维上需要通过两个电机才能产生不同速度以实现速度差的思维桎梏，只用一个电机驱动旋转就可以产生差速效应，使得光纤倒像器坯板在加热过程中形成更加均匀的温度分布。同时，它结合了动态力学控制策略，能够实现精准的力学调节，有效解决了扭转成型过程中受力不均的难题。
成功从来都不是一蹴而就，面对实验过程中的失败时，张磊一直铭记着入职时带他实习的老师傅的话：“失败的反方向前进一步，就是成功”。这句话一直激励着张磊，失败并不可怕，只要一直前行，就一定会成功。他也经常因为突发灵感而自发在实验室加班工作。“有时候遇到问题我们可能很容易陷入思维的误区，觉得想象中违反传统思维的事情而不愿意去尝试，但往往是这种违反传统的‘固有的思维’是最难突破的，会成为我们技术进步的障碍”。他认为，科研不是一个轻松的过程，需要经过长时间的积累与钻研，才能在关键时刻有所突破。
经过十数年的积累和艰苦攻关，张磊和团队就是秉持着这种持续探索的态度、坚持不懈的创新以及“钉钉子”的精神，取得了一系列的突破。他们先后成功研发出具有自主知识产权的大尺寸光纤倒像器、高对比度光纤倒像器、超短光纤倒像器等多个高性能光纤传像产品，并实现了产品批量化、系列化，打破了国外产品垄断和技术封锁，填补了国内空白，解决了国家应用急需，为微光夜视成像、粒子探测识别等领域提供了关键材料支撑。
目前，张磊和团队在光纤传像元件领域布局相关发明专利百余项，已经授权国家发明专利60余项，其中授权国际专利4项。荣获了中国建材行业科技进步一等奖1项，北京市科学技术奖科技进步二等奖1项。
当被问到自己的科研理念时，张磊认为，可以概括为“责任、创新、传承”三个词。他解释道，责任不仅仅是对科研工作的投入，更是对团队、对社会的承诺；创新是推动科技进步的动力，传承则是将这一精神薪火相传，“我们做的不仅是光纤传像产品，更是国家对我们的一种信任和期待，要把这种想法传承给年轻人。唯有不断前行，努力提升自己才能不辜负这个伟大的时代”。（记者蔡琳 实习生王笑颜）
