案例标题：
类诺奖成果诞生体验：材料准相位匹配原理的提出。
背景
在广泛应用的板壳结构中，在出现宏观裂纹、夹杂、脱层和气孔等宏观损伤之前，位错滑移和微裂纹等微纳尺度的早期损伤占据了板材使用寿命的绝大部分。早期损伤具有较强的隐蔽性和危害性，因此研究板材早期损伤的无损检测方法具有极其重要的意义。
大量研究表明，非线性兰姆波导波检测技术具有传播距离远、检测范围广、对早期损伤敏感等优点，在板材早期损伤检测中得到了广泛应用。众多材料的应力应变关系可简单表示为σ=Eε+βε2，根据三角函数倍角公式可知，频率为f的基波经过此类材料后，经平方会产生2f分量波信号（即二次谐波信号），且这些分量的强度与β呈正相关。通常β能够反映材料早期损伤程度，所以测定二次谐波信号的强弱可反映材料早期损伤的程度大小。一般通过对横轴为基波传播距离、纵轴为二次谐波强度的检测数据进行直线拟合，并依据拟合直线斜率判断基波传播路径上的损伤平均程度。
问题的发现与思考
兰姆波具有强色散特性，不同频率的波传播速度往往不同。基波传播过程中，先激发的二次谐波和后激发的二次谐波会在传播路径上发生干涉，致使二次谐波出现如图 2 中空心圆圈连线所示的变化，即类似正弦函数发生周期振荡而无法持续累积，这一现象被称为相速失配。
图1：波在Al-7075-T651板中的传播模型。（a）模型中非线性系数一致分布。（b）模型中非线性系数周期交替分布。
图2：新准相位匹配原理技术效果。MQPM 代表材料准相位匹配技术，从理论和仿真结果可知，未使用新准相位匹配技术的二次谐波随基波传播呈周期振荡变化且不能持续累积，而使用了新准相位匹配技术的二次谐波随基波传播能够实现持续累积。
创新思路的萌发
为克服相速失配问题，人们曾提出使基波和二次谐波相速度相同的方法，即满足相速匹配条件，但此条件仅适用于有限的频率对，且极难控制。也有人提出低频激发的近似方法，但在频率选择上存在限制。
那么是否存在一种能够摆脱频率限制，使任意频率的二次谐波都可实现可持续累积的方法呢？在思考这一问题之初，确实感觉难度极大，向领域内知名专家咨询后，得到的答复是：很难实现，几乎不太可能。然而，这一问题的提出，恰恰标志着某种创新的萌芽。在损伤检测领域，由于理论上存在相速失配的结论，且仅有有限对频率对能满足二次谐波可持续累积，要突破这一框架十分困难，通常不会有人提出此类问题。所以，科研创新需要善于提出问题，不能局限于所在领域的固有思维。
研究与开发过程
经过多日的深入思考，某天突然灵光一闪：若不局限于损伤检测领域，当材料的非线性系数可变时会怎样呢？由于二次谐波的周期变化本质上是一种干涉现象，是基波传播路径上不同时间产生的二次谐波之间相互干涉的结果。那么只需让这种干涉持续增强即可，进一步说就是抑制干涉减弱。具体而言，在干涉减弱的部分改变干涉波的相位，使其控制在0到π之间。顺着这一思路继续探索，发现只需在基波传播路径上、二次谐波开始下降的区域，将材料的非线性系数改为符号相反的非线性系数便可。从物理原理上想通后，迅速构建理论，并通过有限元仿真计算，得到的理论结果与模拟结果如图 2 所示，二者吻合良好。图 1 为仿真模型图，其中图 1 (a) 未更改模型非线性系数，图 1 (b) 模型非线性系数正负交替周期性排列，即使用了材料准相位匹配技术（MQPM）。
论文发表
获得满意结果后，深感该原理的精妙之处，随即整理撰写论文。在写作过程中发现，光学领域存在类似原理，且该原理已获得光学领域的诺贝尔科学奖！原来此原理在激光领域广泛应用，用于提高激光频率进而提升激光能量。进一步思考发现，在激光领域本质上是控制电子运动，而在声学领域则是控制原子和晶格运动。显然，控制电子要比控制晶格容易得多，这或许是该技术在光学领域得以应用的原因。论文撰写过程中意识到存在不足，即缺少实验和样品，目前只是验证了理论情况。由于调控材料晶格（即实现非线性系数周期分布或修改材料的非线性系数）存在一定困难，所以尽管该原理在科学上是一项突破，但距离实际应用仍有一定差距。即便采用不同材料周期组合，也需考虑界面处的影响。后来为进一步解决这些问题，又提出了结构准相位匹配技术，即通过修改结构来实现，这也是一种创新。需要强调的是，该原理具有科学发现的简洁美与自洽美，属于人类顶级的智慧活动，其发现过程值得分享。撰写的论文历经波折最终得以发表，并获得好评。
潜在的应用和市场前景
未来，若能通过某种方式有效控制晶格以修改材料的非线性系数，便可生产出频率转换器。将这些频率转换器级联，能够实现低频信号快速升频，完成频率转换。
基础科学的突破看似无用，实则有大用。只要基础科学的成果是正确的，其意义就十分重大，往往是只有想不到没有做不到。例如牛顿力学原理提出卫星上天的可能性后，经过了一百多年人类才将卫星送上天。
借助频率转换器，可将任意频率转换为所需频率，进而对该频率进行滤波等操作，实现宽频的超材料结构。此外，由于高频更易衰减，可将低频可听噪声通过频率转换器转换到高频不可听范围，从而实现降噪。
对于基础科学研究，不应过度强调成果转化。基础研究需要专项拨款支持，所有受拨款支持的基础研究项目都不应过分强调转化，应潜心钻研科学。正如基金委网站滚动横幅所展示的：科学基础研究是一切的总开关，是创新的源泉。
而成果转化类研究主要应交由企业产业经费支持并进行市场化管理，市场会给予相应反馈，此类研究甚至无需政府拨款，政府拨款支持反而可能造成资源浪费。
结论
在基础科学研究中，想要不灌水，真的搞创新。就要搞懂底层基础原理，要对研究的事物形成深邃的物理直觉，然后要擅于（跳出领域框架）提出问题，同时还需要良好的数理基础。另外研究者和管理者都不应有太强的功利心，研究者要坐得住冷板凳，管理者对纳税人提供的资金支持项目不要强调转化，且要允许失败。祝愿在创新的道路上相对轻松，享受发现的喜悦。
案例来自科技工作者：孙晓强
