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作者:朱世慧 來源: 發布時間:2022-5-12 20:24:44
陳創天:“中國牌”晶體的開拓者

   “黨和國家需要真正嚴肅的科學家和科學成就,黨的科學事業是一個十分艱巨的事業,我不能沒有信心,不能不負責任,更不允許自己有一絲一毫偷懶和投機取巧的思想,要不惜心血地嚴肅對待。”

   1985年,一位科研人員在入黨志愿書中寫下這樣一段話,成為他一生為之奮斗的鏗鏘誓言。這位科學家,就是中國科學院院士、我國人工晶體學界泰斗陳創天。

   1937年,陳創天出生于浙江奉化,1962年畢業于北京大學物理系,1962年至1998年在中國科學院福建物質結構研究所工作,1998年調至中國科學院理化技術研究所,組建中國科學院北京人工晶體研究發展中心。1990年當選為發展中國家科學院院士,2003年當選為中國科學院院士。

   陳創天是中國非線性光學晶體研究的開拓者,他為奠定我國非線性光學晶體在國際上的領先地位作出了杰出貢獻,在非線性光學晶體發展史上寫下了光輝的一頁。

 

指導創新陰離子基團理論

 

   陳創天曾說,中國非線性光學材料的指導思想,就是要走自己的路。

   上世紀60年代,著名化學家盧嘉錫在福建物構所帶領研究團隊開始非線性光學晶體的研制。當時我國在該領域的研究落后國外幾十年,研究從仿制起步,逐漸遇到瓶頸,于是派陳創天開展理論計算,用以指導材料設計。陳創天不負所托,于1976年提出晶體非線性光學效應的“陰離子基團理論”。

   這一理論簡約直觀,抓住了紫外—可見—近紅外波段非線性光學晶體內在機制的本質,為此后硼酸鹽非線性光學晶體的發現奠定了基礎。理論和實驗緊密結合,能夠更加直接、高效、快速地探索新型非線性光學晶體,通過這樣的探索方法,能夠極大地減小新材料探索的盲目性,提高探索的時間和效率,節約大量人力和物力。

   之后,中國科學家在該領域放棄“跟跑”國外,而是依據這一原創科學理論開展自主探索。陳創天帶領團隊在國際上率先發現了一系列優質非線性光學晶體,引領了非線性光學晶體研究的國際發展方向。

   以理論與計算指導非線性光學晶體的研究取得成功,這實際上與近40年后(2011年)美國奧巴馬政府提出的“材料基因計劃”的主旨是一致的。晶體學界認為,如今,陰離子基團理論所蘊含的學術思想對于探索新型優質晶體仍具有重要的指導意義。

 

“中國牌”晶體享譽世界

 

   1986年,美國舊金山,第14次國際量子電子學(IQEC)和激光與光電子(CLEO)會議在這里召開。會上,一位中國科學家宣布研制成功一種新材料——低溫相偏硼酸鋇(BBO)晶體,并報告了與斯坦福大學合作測定的光學性能數據。

   這篇報告引起非常大的轟動,以至于當陳創天走下發言臺,會場發生了極其罕見的一幕:參會的200多位科學家中,竟然有一半跟著他一起出去,想要進一步了解BBO晶體的情況,會議因此暫時中斷。

   橫空出世的“中國牌”晶體BBO,在美國引起很大反響。不久,美國48位科學家在華盛頓召開了一個評估會,形成了一份關于非線性光學材料研究的評估報告。他們說,美國現在要提高警惕,為什么國際最先進的非線性光學材料的物理思想不是來自美國,而是來自國外?

   走上國際舞臺的,不只是這塊“中國牌”晶體,更重要的是對探索新材料起到決定性作用的理論思想。陳創天以理論指導非線性光學晶體研制的步伐沒有停下,不久后,他帶領團隊發現了又一個“中國牌”晶體——三硼酸鋰(LBO)。

   BBO、LBO兩種晶體很快實現了小批量生產,在國內外激光界廣泛使用。就晶體材料領域而言,這是我國首次走向國際并被國際上廣泛應用的兩塊晶體。

 

推動前沿裝備自主創新鏈

 

   提到“技術封鎖”和“產品禁運”,人們總覺得這是發達國家的“專利”。但在高技術領域,中國也曾對美國說“不”。

   20世紀80年代末到90年代初,在非線性光學晶體方面,BBO 已經能夠解決紫外諧波光有效功率輸出,磷酸鈦氧鉀晶體(KTP)加上LBO已經可以解決可見光波段諧波光輸出問題,剩下的就是深紫外,即激光波長短于200納米的波段。

   多年來,激光界一直將200納米形容為全固態激光的一堵“墻”,誰突破了這堵“墻”,就可能掌握精密化、實用化深紫外全固態激光探測手段,占領深紫外前沿研究領域的制高點。而全固態激光器要產生深紫外激光,關鍵是要找到合適的深紫外非線性光學晶體。

   于是,陳創天又開始了新型非線性光學晶體的探索之路。經過反復計算和思考,他提出了尋找深紫外非線性光學材料的結構選型依據,率領團隊發現了氟代硼鈹酸鉀晶體(KBBF),利用該晶體首次實現深紫外激光輸出,打破了國際激光界長期以來的“200納米壁壘”。

   然而,KBBF晶體獨特的薄片層狀生長習性使其難以獲得實際應用。為了解決這一難題,陳創天聯合中國科學院院士蔣民華團隊進行晶體生長技術攻關,始獲突破;又與中國工程院院士許祖彥團隊合作,開發出KBBF晶體棱鏡耦合器件及技術,獲得中、美、日專利授權,解決了KBBF晶體器件制備問題。最終,陳創天團隊發展了“局域自發成核技術”,攻克了大尺寸KBBF晶體生長技術難關,實現了多種波長的深紫外激光有效輸出,保障了中國在深紫外固體激光方面的國際壟斷地位。自此,KBBF晶體實現了實用化。

   《自然》雜志曾以“藏匿的中國晶體珍寶”為題,對陳創天率領團隊研發的KBBF晶體進行了報道,稱“這是一塊完美的晶體,它可以使整個領域向前發展……其他國家在晶體生長方面的研究目前看來還無法縮小與中國的差距”。

   2007年,KBBF晶體被禁止對外出口,成為“我國在高技術領域對美國說‘不’的第一件事情”。 

   材料禁運,不只是贏得自豪感,更重要的是對于我國科技發展的重大意義。2008年,國家重大科研裝備研制專項“深紫外固態激光源前沿裝備”啟動,許祖彥、陳創天擔任首席科學家。7名院士率領8個研究團隊通力合作,研制出8臺新型深紫外激光科研裝備。2013年,該項目通過驗收,中國成為世界上唯一一個能夠制造實用化、精密化深紫外全固態激光器并成功應用于前沿裝備的國家。該項目打造了一條“晶體—光源—裝備—科研—產業化”自主創新鏈,成為我國自主研發高精尖儀器的成功范例。

 

“其他人很難復制我” 

 

   陳創天曾回憶說,“我覺得今天其他人很難復制我。”這個“很難復制”,指的是學術成長經歷。

   陳創天畢業于北京大學理論物理專業。在北大6年學習期間,教固體物理和固體理論的是黃昆,教熱力學和統計物理的是王竹溪,教特殊函數的是郭敦仁,教原子物理的是褚圣麟,教場論的是胡寧……這些國際一流科學家親自授課,使陳創天在理論物理方面得到了非常好的訓練。

   畢業分配到福建物構所后,為了使知識結構“化學化”,陳創天在盧嘉錫的指導下,認真學習了3年理論化學方面的知識。扎實的基礎學習,為他之后從事晶體材料研究打下了堅實的物理、化學基礎。

   “文革”初期,很多實驗工作被迫停頓,陳創天就在家專心做理論研究,陰離子基團理論開始形成。此后他又參加了晶體生長、測試,對各方面的工作都有了實踐經驗。物理與化學、理論與實驗的結合,成就了一位材料學界的學術大家。 

   正如中國科學院院士、材料科學家葉恒強所說,紀念陳創天,因為他“材料設計的成功實踐”,更因為他“從設計成分到晶體生長到出口貿易到研制儀器,一以貫之”。葉恒強曾在紀念文章中寫道:“陳創天聯合蔣民華、閔乃本、許祖彥等科學家,將非線性光學晶體的研究與生產做得風生水起?茖W與技術、配方與生長、晶體與儀器、貿易與保護,方方面面,齊心協力,融為一體。使得‘中國牌’晶體得以發揚光大,長盛不衰。陳創天作為源頭創新者,又以寬宏的氣度團結中下游的科技工作者和管理工作者,功不可沒。”

 

執著認真的一生

 

   如果要用一兩個詞來形容對陳創天的印象,后輩們說得最多的就是執著、認真。

   40年前就成為陳創天弟子的理化所研究員李如康坦言:“陳老師最讓我佩服的就是他的執著。對于一種晶體材料,他的研究興趣能保持10年、20年甚至更長時間,這也是陳老師能取得成功的重要因素之一。”

   陳創天在培養學生和自己做研究時,始終強調做學問不能有虛榮心、不能做虛的,一定要落到實處,要一步一個腳印,如同畫畫,一定要去做“畫老虎”的研究,而不要去做“畫鐘馗”的研究。因為鐘馗誰也沒有見過,怎么畫都行,僅憑想象無法驗證,看起來熱鬧,實則虛無縹緲。

   在理化所,陳創天給大家最深刻、最難忘的印象,就是高標準、嚴要求。在申報科研項目時,他總是要求把驗收的技術指標定得高一些、再高一些。雖然科學研究要追求更高的目標,但對一個具體的科研項目來說,指標定得越高,完成難度就越大,而項目是有驗收節點要求的,這樣“給自己加碼”,在旁人看來是很傻的事。

   但陳創天偏偏喜歡干這樣的“傻事”。他對年輕人半開玩笑地解釋說:“指標定低了,怕你們不努力!”其實,這源于他內心對更高科學目標的追求。

   “除了科研,他幾乎沒有其他愛好。”這是弟子們對陳創天的評價,“科研就是他最大的愛好,他是‘工作狂’,是在科研工作中真正獲得快樂的人?蒲芯褪撬臉啡,是真的熱愛,不需要鞭策。這和把科研當成職業的人不一樣。”

   后輩們最難忘的,是他常常帶著孩子般的天真,在沉思與大笑交替中與后輩交流、爭論,也一起高興著、暢想著。

   陳創天曾說,“總結硼酸鹽非線性光學晶體發現的歷史,我們深深地感到,要創新就必須要有自主的科學思想,才能獲得自己的成果,才能自立于世界民族之林。”他為世界及中國非線性光學晶體學科發展作出的貢獻,永遠銘記在后人心中!

( 作者單位:中國科學院理化技術研究所)

 

 

《科學新聞》 (科學新聞2022年4月刊 人物)
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