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探访Joseph Braat教授（上）| 飞利浦与阿斯麦，光存储与光刻的时代更迭 |
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编者按
Joseph Braat教授，荷兰光学工程师、科学家。Joseph Braat教授以其在光学成像领域的贡献为人尊敬，每每与其交谈，都深受启发，收获良多。
于法国高等光学研究所（Institut d’Optique Graduate School）博士毕业后，1973年Joseph Braat回到了荷兰的飞利浦公司（Philips）开展光存储技术的研究工作，参与并推进了Philips、 ASML等公司光刻技术的发展，在光路设计、早期光刻系统设计、衍射极限的光学成像等方面做出了突出贡献。之后Joseph Braat加入荷兰代尔夫特理工大学并在光学研究组任教。Joseph Braat教授发表了超60项美国专利及大量研究论文，其论著《成像光学》（Imaging Optics）现已成为光学领域的重要参考资料。
Joseph Braat教授是荷兰皇家科学与艺术学院院士，是欧洲光学学会的创始人之一，并在2004-2006年担任主席。这篇访谈中，Joseph Braat教授回顾了他所经历的光学存储与光刻的发展，这份经验对当前形势下的各方研究人员来说尤显珍贵。
英文全文已发表在Advanced Photonics2024年第3期，欢迎查看：
Yifeng Shao, "Interview with optical scientist and engineer Joseph Braat," Adv. Photon. 6, 030502 (2024)
特约作者：邵屹峰 荷兰代尔夫特理工大学博士后研究员
以下内容中，“邵”代表邵屹峰博士，“Joseph”代表Joseph Braat教授。
邵：您与光学结缘始于您在荷兰代尔夫特理工大学攻读物理学专业，随后您在法国高等光学研究所从事关于全息技术的研究。是什么原因促使您最终选择光学作为自己职业生涯的研究方向呢？
Joseph：选择光学研究作为我的职业经历了两个阶段的过程，首先是我对物理的兴趣，继而对光学着迷。在我的中学时期，我的物理老师是一位从代尔夫特理工毕业的电子工程师，他非常有激情。20世纪60年代初，荷兰用新式教材取代了20世纪30年代非常老式的物理书籍。这批新式教材基本包含了当时的现代物理知识。尽管在课堂实验上我们使用非常基础的设备，甚至部分设备还是学生制作的，依然可以演示物理的原理。逐渐地，我对物理产生了浓厚的兴趣并且决定在大学中继续学习物理。选择代尔夫特理工大学则是我哥哥的建议，他当时在那里学习化学。
在代尔夫特理工大学时， Abraham van Heel教授在第一年和第二年教授的两门光学课程中展示了令人惊艳的课堂实验，给我留下了深刻的印象。不幸的是他在1966年5月因为心脏病在自家花园中平静地去世了。不久后，我加入了由他的两名助手临时领导的研究组。1967年1月，来自埃因霍温飞利浦公司的Hendrik de Lang教授接任领导了代尔夫特理工大学的光学研究组。次年，法国发生了著名的“红五月”学生抗议活动，不仅动摇了当时由年长的戴高乐所领导的政府，其抗议精神还对包括荷兰在内的诸多国家产生了影响。因为不支持学生们民主化荷兰大学导致的管理混乱，Hendrik de Lang教授于1969年9月1日离开了代尔夫特理工大学。这导致我失去了硕士论文的导师，但是我仍然幸运地在当年完成了我的研究任务。随后我获得了法国外交部奖学金，得以前往巴黎（奥塞）的高等光学研究所攻读博士学位。
图 荷兰代尔夫特理工大学，被誉为“欧洲的麻省理工”
邵：您的求学经历对您的职业道路有何影响呢？
Joseph：1970-1972年，我在巴黎高等光学研究所Serge Lowenthal教授组里研究非相干光全息技术。自1920年以来，该研究所从一个军事的应用技术实验室发展为一个更加重视基础科学的研究所。对于我这个博士新生来说，光全息技术是一个新颖而迷人的主题。我记得在巴黎学习初期，相干光学研究人员使用Joseph Goodman的《傅里叶光学导论》（1968年出版的第一版）作为主要的参考文献。与某些实验室将大量学生部署在一个大型实验装置的情况截然不同，巴黎高等光学研究所内的每个学生都有自己负责的实验课题，他们可以在自己的暗室中使用自己的实验设备完成。得益于此，我在巴黎的博士研究很好地平衡了理论与实验。
1973-1974年，Joseph Goodman在高等光学研究所担任访问学者。在此期间我有幸多次与他成为室友，并见证了他第二本著作《统计光学》一书的准备过程。当我在高等光学研究所期间， Alain Aspect也在Lowenthal组研究全息光谱仪。当我后来在飞利浦公司工作时，Alain问我飞利浦的研发部是否可以帮助制造一个足够大的偏振中性分光器（polarization-neutral beam splitter）。经过一些非凡的努力，飞利浦公司的薄膜沉积部门成功地制造了满足严苛条件的光学元件并将其与送到巴黎的高等光学研究所。这个“立方体”元件填补了光学量子纠缠实验中的一个潜在漏洞。这个实验最终帮助Alain赢得了2022年的诺贝尔物理学奖。
图 2022诺贝尔物理学奖获得者之一：Alain Aspect教授
邵：在飞利浦公司工作期间，您对光学存储和光盘技术，尤其是光盘存储系统的光路设计以及光衍射理论的创新应用等方面，做出了重要贡献。相关工作还为CD、 DVD、蓝光光盘等光存储介质的发明奠定了基础。在该领域的研究中，您面临了哪些挑战？
Joseph：光学存储的发明和发展是许多人共同努力的结果，我绝不是奠基人之一。早在1969年底该项目就已启动，而我直到三年后的1973年元旦才加入飞利浦公司。1972年12月的一个国际科技新闻发布会上，飞利浦公司就向公众展示了一个可以实时存储发布会现场实况视频的“玻璃盘”（所谓的“主盘”）。早期飞利浦光存储研究的先锋人物包括Piet Kramer(光学研究团队负责人)、 Klaas Compaan(飞利浦教育事业部)和Gijs Bouwhuis(光学研究员)。他们三人因对光存储的基础研究和推广工作于1986年共同获得了Ranz光电子奖。
图 由左至右依次为Gijs Bouwhuis, Piet Kramer 和 Klaas Compaan
当我加入飞利浦公司时，科学家Harold Hopkins正担任飞利浦的光学顾问，我被指定为他的联系人。Hopkins以他的部分相干成像理论而闻名，他扩展了Zernik与van Cittert在该领域的工作，也发明了许多其它重要的概念，比如光学传递函数、互相干系数、和高数值孔径成像。他还发明了变焦镜头和用于医疗诊断的光学内窥镜。但对我来说最重要的是，他还是一位出色的老师！我很幸运能够与他合作，共同研究光学设计与衍射理论。
我早期的关键课题是研究如何精准对焦与跟踪光盘上的光学信息螺旋，以及如何增加地增加信息密度。我与Hopkins一起研究了光盘的标量读取模型。后来我扩展了这一模型以兼容编码与调制的数字信号，并用它制定CD（Compact Disc）和后续的数字光学存储标准。
在此期间我也担任了飞利浦研究实验室与光学供应商之间的联络桥梁。为此我编写了自己的光学设计工具，使用SVD（singular value decomposition）优化光学系统。该软件也让飞利浦可以独立完成非球面设计和光学公差分析。在20世纪80年代初期，我用自己的程序设计了光刻投影物镜，重点优化了光学系统的公差和可制造性。我必须要强调Geoff Adams开展了光学公差分析的基础工作， 1988年，他在帝国理工完成了关于这一课题的博士论文。
当时飞利浦还在使用IBM 360/370大型计算机，只能够使用打孔卡输入数据。这成为了制约计算能力的瓶颈。有一次我的40，000张打孔卡（每张重2.5克，共1000千克）不幸发生了事故。其中两箱大约5000张卡片掉在地上打乱了关键顺序。我花了整整两天的时间才将所有卡片恢复为正确的顺序。幸运的是，随着计算机水平的提升，不久之后我就可以在飞利浦的实验室使用个人终端数据输入。大约在1985年， 我终于可以愉快地丢掉所有100公斤打孔卡了！
