“三好教授”林为干:我国电磁场与微波科技的一面旗帜

提及微波,人们人并不陌生,日常生活中接触较多的便是家用微波炉。其实,这只是微波技术一个小小的应用。微波最重要的应用是雷达和通信。其次才是工农业生产、科学研究、医学、生物学以及人们日常生活等方面广泛的应用。

微波的频率在300MHz-300GHz之间,波长在1米(不含1米)到1毫米之间,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。

在近代中国电磁场与微波技术学科领域,人们自然而然会想到一个人,那就是中国科学院院士林为干

林为干

林为干对中国电磁科学发展的贡献主要为闭合场理论、开放场理论和镜像理论。

在闭合场理论方面,他发表了“一腔多模拟微波滤波器”的观点,奠定了一腔多模的作用,在开放场方面他提出了“传输线阻抗计算方法”和“三角波导理论”等观点,对静电场理论做出了重要贡献。他发现了有介质平面上双像的现象,提出了介质球的镜像理论。此外,他还培养出80余位博士,为人师表,以身作则,在德、智、体方面为大家作出了榜样,是大家熟知的“三好教授”。

两次跳级的数学天才

1919年10月,林为干出生于中国华侨之乡广东台山县。父亲林本伟曾任中学教员,后开了律师事务所。母亲邝桃兰农家妇女,支持丈夫,承担家务。林为干是家中排行第三个儿子,小名福佑。

林为干童年的“全家福”

林文干很早就显出了其在数学方面的天赋,初二结束时,跳级考上了省立一中(现广雅中学)高中。高一结束时,林为干再次跳级,进入高三甲班学习。当然,他不仅善于读书,而且也很喜欢体育运动,排球、游泳、长跑都很喜欢。

1935年,高中毕业时,他参加了中央大学、中山大学、清华大学的入学考试。最终林为干被清华大学录取

林为干在清华研究院的研究生学籍卡

回忆起中学生活,林为干非常得意,“我中学两次跳级” “高中毕业时得了三个第一:一是我是唯一应届考上清华大学的学生,二是中山大学的入学考试中我的数学以100分取得第一名,三是我在毕业生越野赛跑中得了第一。我一直以这三个第一为骄傲。我要努力保持年轻时代的干劲,在学习和工作中勇争第一。”

颠沛流离的大学生活

1935年8月,林为干从台山出发去北京上学。当时交通不便,他先到广州,后到香港,后坐船到上海,又转乘火车抵达北平。

此时的林为干,年龄尚未满16周岁。在大学,他是班上年龄最小的同学。进入清华,林为干十分兴奋。他的国文老师是朱自清,物理课老师是吴有训。尤其是吴有训教授上的普通物理课,给他留下了深刻的印象。

林为干回忆说:“他对我们的影响很大,讲课非常认真,他是江西人,讲的不是地道的北京话,但讲得很清楚,我们都很佩服他。”

1936年冬,林为干在清华大学伏案学习

林为干还曾慕名去旁听了华罗庚的数学课。“那个时候华罗庚是清华最为勤奋的人。”林为干充满敬意地回忆说,“钱伟长是很用功的了,可是钱伟长说,后来他发现清华有个人比他还用功,那就是华罗庚。”这种勤奋的精神对林为干的影响很大。

林为干在清华学的是电机工程专业。当时清华电机工程系聘请了美国麻省理工学院数学系教授、著名数学家、美国科学院院士维纳为客座教授。林为干经常去听维纳教授的讲座和课程,这让其对数学的兴趣愈加浓厚,并进一步提高了他的数学能力。

林为干1937年在清华园留影

1937年7月,卢沟桥事变时,林为干正和同学们在北京西苑接受军训。军训结训后,因局势动荡,学校无法正常开课。

11月初,林为干得到了清华大学在长沙临时大学开学的消息,马上从家赶到湖南长沙,进入临时大学继续学习。

1937年12月南京陷落,师生们被迫再次踏上逃亡之路。林为干跟随第一批师生,经香港由越南入滇,到西南联合大学学习。两年后,林为干顺利毕业。

林为干在西南联大的学籍卡

1940年7月,林为干到四川璧山国民政府交通部技术人员教训所接受培训,为期半年的培训结束后,林为干到昆明电政局担任技术员。他业务驾轻就熟,加之工作勤奋,很快被提升为机务段段长兼昆明机务站站长。

战争年代,西南联大师资力量短缺,1941年9月,林为干到母校西南联大担任电机系兼职教员。1944年4月,他被借调前往保山前线为远征军装设载波电话,历时两月,成效突出,获得国民政府交通部滇区电政专员办公室嘉奖。

追梦留学美国

1945年,林为干考取了《租借法案》资助的赴美实习生。他在庆祝抗战胜利的喜悦中,告别妻儿,从昆明乘坐美军的军用飞机到缅甸,转道印度,乘船到了美国。

由于战争刚结束,林为干未能及时参加工作,而是由美国方面安排到科罗拉多州立大学学习研究生课程。

1946年3月,他前往华盛顿、费城以及加拿大的魁北克贝尔电话公司实习。一年实习期结束后,他决定继续留在美国深造,凭借其科罗拉多州大学全A成绩顺利获得了加州大学伯克利分校天线研究室攻读博士学位的机会。

林为干在加州大学留影

学习期间,林为干半工半读,担任助教工作,帮助教授批改微积分作业。

第一学期里,林为干选修了温纳里(John R.Whinnery)的“近代无线电中的场与波”课程,该课程每月有一次考试,他的每次考试成绩均为A。温纳里教授特别欣赏,称赞他是全系最勤奋的学生,收他作了自己的第一位博士研究生。

温纳里比林为干大三岁,师徒情谊深厚,经常在一起讨论学术问题,对林为干学术研究影响颇巨。

1979年,林为干(右)访美时与导师温纳里(左)在伯克利大学的合影

“单腔多模”理论研究

20世纪40年代,微波技术的研究中心在美国。温纳里教授对电磁场及微波放大器等方面均有研究,林为干对微波领域也很关注,他在麻省理工大学放射实验室新出版的雷达丛书第九卷《微波传输电路》中看到“用正方形波导来做单腔两模微波滤波器”,但没人做出超过单腔两模的。因此,为了达到滤波的目的,人们不得不使用多个谐振腔来完成,增大了滤波器的体积和重量,增加了成本和难度。

他敏锐地注意到这个问题,他认为,既然一个谐振腔里存在着无限多个震荡模,为何不能有效地使用一个谐振腔的多个模来做成多模耦合电路解决滤波问题?他的想法得到导师温纳里的认可。

穿上博士袍的林为干

林为干尝试研究了单腔中可资利用的模式的数目,反复推算,分析矩形和圆柱形的谐振腔里存在的模式数目,研究出矩形腔里存在着十个左右的简并膜,一个圆柱形腔体也存在着多个简并膜。再用两个膜激励的单谐振腔开始做进一步研究,又研究了用三个模式激励单腔获得了重大突破,并取得了成功。

他将研究成果付诸实践,做出了一个单腔五模的滤波器的实验模型,完成了博士论文。1950年6月,在答辩会上,由于他在理论研究上的重大突破,其研究方向和创新受到了评委们的肯定,获得了博士学位。

林为干发表于J.A.P.1951年8月号首页的博士论文

1951年8月,该论文发表在美国《应用物理》杂志的首页,引起了很大反响,单腔多模理论让林为干在微波研究领域初露头角。半个多世纪以来,该理论一直被国内外学者所引用。

1951年8月,林为干辞别了导师,从旧金山乘船回到祖国。

奠定国际微波学科学术地位

回国后,林为干在广东省教育厅领导的劝说下,受冯秉铨教务长的邀请,到岭南大学电机系任教。他用自己从美国带回来的教材,讲授电工数学及定时电路两门课,同时还在中山大学兼课,主讲无线电工程和长途电讯两门课。

课堂上,他公式推导如行云流水般一气呵成,在专业方面给学生们树立了良好的榜样。他讲课从不看讲义,书写流畅,双语教学,侃侃而谈,他教授的内容较深,迫使学生不断扩充新知识,学生们对他敬畏有加。

1951年,根据教育局规定,中山大学的工学院、华南联合大学的工学院、南岭大学工程方面的科系及广东工业专科学校合并成立独立的华南工程院。林为干因此转入华南工程院电机工程系工作。

林为干在华南工学院电机工程系教学楼走廊

在担任华南工学院电讯工程系主任期间,他提出要加强数理基础,组织教师学习《高等数学教程》。他在系组织学术会议、学术沙龙、培养教师的科研兴趣和能力,帮助教师修改论文,请数学系的教授给电机系年轻教师补习数学,送教师外出培训,制定教学计划,加强外国语训练,培养了一大批卓有建树的科学家。

在强化教师从事科学研究的同时,林为干自己也从未放弃科学研究。他在华南工作的四五年时间里,他的科学研究主要集中于电磁波传输中的基本问题,并相继刊发了近10篇学术论文,这使他在国内学术界的影响进一步扩大。

1958年春节,林为干拒绝了广东方面的挽留,举家西迁,来到成都电讯工程学院(电子科技大学),任院长助理,开启了从事科学研究和教书育人的新天地。

八十年代,林为干(左三)与教研室老师一起研究科研问题

1959年,《成都电讯工程学院学报》创刊,他任编委会主任。他和钟祥礼合著的《传输线特性阻抗的一个新计算方法》发表后,在学术界引起广泛的影响。

《马可尼从书》作者M.A.R.Gunston将此文的一些公式绘制成曲线和图表,供全世界微波工程师使用,称之“林—钟方法。

科研、育人两不误

1978年3月,林为干的《微波理论与技术》获得了全国科学大会优秀成果奖,他本人也获得了“在科学技术工作中作出重大贡献的先进工作者”称号。

林为干在办公室看书

1979年,为加强科研为社会生产服务,成都电讯工程学院成立了物理研究所,林为干担任所长。1981年,他任成都电讯工程学院副院长。1979年—1989年十余年间,林为干发表近60篇论文。

年届70的他,从未考虑从科研和教学的第一线退下来,没有丝毫懈怠之意,以他饱满的热情和旺盛的精力从事科学研究和人才培养。他在教育学生过程中,强调以身作则,用他的品德、勤奋、刻苦、方法、见解以及对同事的关心,对晚辈的提携等深刻影响着学生。

林为干(右)与博士吴正德在实验室

1978年至21世纪初,林为干已培养出硕士60多名,博士88名,指导博士后10多余名,为我国的科技事业的发展作出巨大贡献。

除教学外,林为干和团队还承担了《多组份复合材料的电磁性研究》等三项国家自然科学基金项目,发表论文130余篇。其中,1994年,个人在《电磁波与应用学报》发表论文4篇的只有林为干一人,在国际上产生了巨大影响。

林为干还出版了《微波网络》《微波理论与技术》《电磁场理论》《电磁场工程》著作,奠定了他在电磁场及微波领域无可争议的地位。

林为干著作:《微波理论与技术》

他积极参加国际学术会议,投论文作报告,参观国外实验室,掌握电磁场及微波学科前沿动态,引领发展,提出可建树性意见和建议,到伯克利任客座教授,讲授《微波及光波分布网格》《电磁学》等课程。

1980年,林为干当选中国科学院学部委员

林为干在美国巴尔的摩召开的IEEE国际微波会议和微波毫米波单片电路会议作学术报告

“做一辈子研究生”是他的终身名言,也是他对科学的虔诚和对事业发展的热爱。他用一生的精力致力电磁场和微波的研究,全身心投入科技人才的培养,把科学研究放在首位,把人才培养视为关键,为我国有航空航天、军事、信息技术等作出了巨大成就,他是旗帜,更是楷模。

参考文献:

1.《做一辈子研究生——林为干传》,田永秀、王安平著,中国科学技术出版社、上海交通大学出版社2013年

2.《中国微波之父——中国科学院院士林为干传略》,电子科技大学党委宣传部,电子科技大学出版社2008年

3.本文图片来自老科学家学术成长资料采集工程、中国科学家博物馆、人民网等

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