他让中国牌晶体誉享全球,KBBF晶体领先美国15年 | 纪念陈创天院士

 

 

陈创天教授:2007年度“彩世界APP下载杰出科技成就集体奖”

两年前,在互联网上曾经有过这么一篇新闻引起了人们的广泛讨论——《整整 15 年:美国终于打破中国这项技术封锁》。然而实际上,中国在非线性晶体和激光晶体领域领跑全球早就不是这一两年的事情。在 2009 年,中国宣布停止对外提供 KBBF 晶体,这种晶体正是众多实验设备中搭建过程中所需要的深紫外固体激光器的核心部件。Nature 杂志上还以《中国藏起了这种晶体 - China's crystal cache》为题,专门讨论此事。

 

这一切,都要从陈创天院士领导的研究组和合作者发明的“中国牌晶体”说起。

提起陈创天的名字,对大多数人而言是陌生的,但在晶体研究领域,这可是一个响当当的名字。他提出的“晶体非线性光学效应的阴离子基团理论”在国内外学术界得到高度评价,被国内外的同领域科学家接受并成功地用于指导新型非线性光学材料的探索研究。

陈创天院士领导的研究组和合作者相继发明了被誉为“中国牌晶体”的非线性光学晶体BBO、LBO。经过 20 多年努力,他和科研团队在国际上首次生长出可直接倍频产生深紫外激光非线性光学晶体,并发明棱镜耦合技术,率先发展出实用化的深紫外固态激光源。其中 Nd:YVO4激光的 6 倍频光源已成功的应用于超高分辨率光电子能谱仪,并首次直接观察到超导体在超导态时的超导能隙。而达到深紫外波段的 KBBF 晶体技术,领先了美国 15 年。2013 年 8 月 14 日,陈创天院士获得国际晶体生长协会最高奖之一——Laudise 奖。这是中国科学家获得的首个国际晶体生长协会最高奖。

 

回顾求索之路

1937 年 2 月 18 日,陈创天出生于奉化斗门头的一个知识分子家庭,自幼对自然科学有着浓厚的兴趣。高中时,陈创天的物理老师在课上讲解“以太”论,曾说引力场是一种物质,通过这种物质,物体之间会产生引力。这种当时颇为新奇的观点让陈创天产生了强烈的好奇心。正是这种好奇心,促使陈创天一辈子跟物理打上了交道。这位物理老师曾告诉陈创天,要解决引力场的机理问题,一定要学物理,特别是理论物理,这是陈创天决心报考北京大学物理专业的重要原因之一。

1956 年,陈创天参加高考,而这一年,党中央提出了向科学进军,使得这一年成为中国现代科学技术发展史上具有里程碑意义的一年。陈创天以第一志愿考入了录取分数线全国最高的北京大学物理系,师从黄昆、王竹溪、胡宁、杨立民、郭敦仁、褚圣麟等著名学者。这种严格的基础教育、优良的师资、浓厚的科学研究氛围、民主的学风,使陈创天接受到国际一流的训练。

1962 年,陈创天大学毕业,胡宁教授推荐他去刚组建的中科院华东物质结构研究所(现改名为福建物质结构研究所),跟随我国著名物理化学家、化学教育家卢嘉锡院士学习。尽管当时相对于北京来说,福建是对台前线、是偏远地区,但陈创天一想,这也是为了响应党的号召支援边疆呀!于是他服从组织安排去了福建,在卢嘉锡的指导下,开始了3年化学方面的学习,在理论化学方面打下了坚实的基础。

1965 年,经过慎重考虑,陈创天选择非线性光学材料结构和性能之间的关系作为研究方向,并得到卢嘉锡的支持。在此后两年多时间里,陈创天采用量子化学方法,对非线性光学材料的结构与非线性光学效应之间的相互关系进行了大量的理论计算,花费1年多时间完成了理论推导工作,又用 1 年的时间通过手摇计算机进行计算,首先算出了钛酸钡晶体的非线性系数,后来又算出其他一些晶体的非线性光学系数,到1968年初步形成了晶体非线性光学效应的阴离子基团理论框架。

1968 年,陈创天提出,非线性光学效应是一种局域化的效应,是组成晶体的基本结构单元———阴离子基团的微观倍频系数的几何迭加,阴离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子基团的局域化、量子化学轨道波函数,通过二级微扰理论算出来。这就是国际上著名的非线性光学效应的阴离子基团理论。

但同一年,文化大革命到了高潮时期,所有学术刊物都被停刊。他计算出结果后,既无人讨论,也不能发表,工宣队甚至告诫他“理论计算也被看成是修正主义,必须停止”。陈创天面临着被重新安排工作的两种选择:要么下乡参加劳动,要么去实验室“拉晶体”。为了使研究工作不至于中断,陈创天选择了留在实验室。不过他得暂时放弃理论研究,转向实验研究——也就是参与非线性光学晶体生长工作和性能测试的工作,这项工作一直坚持到 70 年代中期。

也正是如此的坚持,1978 年 3 月,在邓小平亲自主持召开的全国科学大会上,陈创天被推选为先进个人,并以福建省代表的身份上台领奖。全国科学大会的召开,对我国科技发展有着里程碑式的意义,改革开放的春风也给陈创天带来了科学研究事业的春天。

 

“中国牌晶体”走向世界

1974 年,在卢嘉锡院士的带领下,物构所冒着风险在福州召开了全国晶体生长学术会议。在会上,参会者们提出现在世界上所有的非线性光学晶体材料都是国外发现的,国内科研总是跟着国外走。为了改变这一状况,必须自己创新,一定要有自己晶体。但限于当时国内的科研条件不佳,以及以往所有晶体材料都是贝尔实验室那样的国际顶尖的科研单位搞出来的,大家都有些信心不足。当时卢嘉锡教授说了一句话“我不下地狱,谁下地狱”。会后,物构所上下一心,决心要做就做自己的晶体材料。

1977 年陈创天正式被卢嘉锡所长任命为非线性光学材料探索组组长,开始了系统的探索。1979 年他们发现低温相偏硼酸钡,也就是—BaB2O4(简称BBO),陈创天认为这可能是一个新的非线性光学晶体。在此基础上,又经过 3 年的钻研,终于确定 BBO 晶体是一个很有应用前景的紫外非线性光学晶体。

1986 年 5 月,在旧金山召开的激光电光会议上,陈创天代表中科院福建物质结构研究所和斯坦福大学应用物理系作了有关 BBO 晶体非线性光学性能的报告,引起了轰动,一百多人参加的会议,却有四五十人来询问情况。这次会议后,BBO 晶体正式被国际学术界认可为一个优秀的非线性光学晶体。两年后陈创天又报告发现了LBO(LiB3O5)晶体。由于 BBO、LBO 晶体是首先由中国科学家发现的,而且性能优异,具有很好的应用前景,因此国际上被誉为“中国牌晶体”。

1986 年 BBO 晶体获中科院科技进步特等奖,LBO 晶体获 1990 年中科院发明一等奖,1991 年国家发明一等奖。BBO、LBO 晶体还分别于 1987、1989 年获美国光电子产业界颁发的十大光电子产品奖。陈创天也先后获得 1987 年第三世界科学院化学奖和 1990 年 Laser Focus World《激光集锦》杂志颁发的工业技术成就奖。目前,这两种晶体作为激光频率转换晶体材料已经在激光高科技产业中得到广泛的应用,是目前具有工业应用价值的三个非线性光学晶体中的两个。

90 年代后,陈创天开始将晶体技术进行产业化。由于 BBO 发表于 1984 年,但 1985 年我国才有了专利法,因此 LBO 才有专利,也是我国第一个有自主知识产权的非线性光学晶体。1988 年,中国科学院福建物质结构研究所批准成立中科院福建晶体技术开发公司,这是国内第一家晶体公司,也是今天的福建福晶科技股份有限公司的前身。完成产业化之后,LBO 晶体的销量曾一度超过全球市场份额的 80%。

为了改善全国晶体材料研究布局,1999 年北京人工晶体研究与发展中心成立,隶属中科院理化技术研究所。陈创天担任北京人工晶体研究发展中心主任。

 

探索不息 国际领先

在 BBO、LBO 晶体实现产业化后,陈创天和他的研究团队并没有停止研究的步伐,他们针对这两种晶体不能实现深紫外(指波长短于 200nm)倍频光输出的缺点,运用分子工程学方法,于 1990 年发现了 KBBF(KBe2BO3F2)晶体。此晶体的发现弥补了 BBO 和 LBO 两种晶体不能实现深紫外倍频光输出的缺点,从而使得非线性光学晶体推向了深紫外波段。然而,KBBF 晶体具有严重的层状习性,晶体在Z方向不易长厚。

从 2001 年开始,陈创天研究组和山东大学晶体所蒋民华院士研究组合作,在 KBBF 单晶生长技术上获得突破,随后陈创天研究组进一步同中科院物理所许祖彦院士研究组合作,首次提出 KBBF 棱镜耦合技术,并制作成功光接触 KBBF-CaF2 棱镜耦合倍频器件,从而克服了 KBBF 晶体沿 Z 方向不易长厚的缺点。此项专利技术已获得中、美、日三国专利权,美国直到 2016 年才掌握 KBBF 晶体的相关技术。

在此基础上,陈创天带领研究组又与东京大学物性所 Watanabe 教授领导的研究组合作,在国际上首次实现了 Nd:YVO4 激光的六倍频谐波光输出,初步满足了科学家为建造一台超高分辨率光电子能谱仪所需要的激光光源。

随后,他们进一步利用日方的光电子发射接收技术和瑞典 Scienta 公司半球光电子能谱分析仪,成功地建造了分辨率达到国际最高的能谱仪。

2006 年底,中国科学院物理研究所和理化所合作,使用 KBBF 棱镜耦合器件,进一步研制成功超高分辨角分辨光电子能谱仪,能同时高精度的测量电子在固体中的能量和动量,这进一步增强了激光超高分辨率光电子能谱仪对研究高温超导体和其他固体中电子奇异特性的功能。这一重大科研成果引起了世界同行的高度关注。美国几家重要研究实验室和大学,例如 IBM 公司、斯坦福大学,布鲁克海文国家实验等都已向中科院来函,要求提供 KBBF 棱镜耦合器件。

2013 年,陈创天院士与东京大学物性所继续合作,使用直接倍频方法,获得了狭带宽稳定的 W 级 193 nm 平均功率输出。这些实验结果的取得,将对未来激光能谱仪的发展、光刻技术、激光精密加工、生物基因工程的发展起到非常重要的作用,是我国在无机非线性光学晶体领域继续保持国际领先水平的重要保证。

 

研究领域

陈创天院士的主要研究领域是光电功能晶体材料。光电功能晶体是光电子技术领域的重要基础材料。利用光电功能晶体能对光波进行频率、偏振、幅度等调控,被称为“光学半导体”。这类晶体在信息、激光高技术、医疗、国防等领域有重大应用价值。

陈创天院士在光电功能晶体材料研究领域的主要研究内容包括:

1.晶体材料结构与性能研究;

2.功能晶体材料的分子设计;

3.新型非线性光学和电-光材料探索与生长;

4.晶体光学性能测试与器件设计研究;

5.非线性光学晶体的应用。

 

参与科研项目

1.国家“973”计划项目(2006-2010)“光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究”,课题负责人。

2.“深紫外全固激光源前沿装备自主研制工程”重大专项项目(2006-2009),首席科学家。

 

所获荣誉回顾

BBO 晶体获 1986 年度中科院科技进步特等奖,LBO 晶体获 1990 年度中科院发明一等奖,1991 年度国家发明一等奖。BBO、LBO 晶体还分别于 1987、1989 年获美国光电子产业界颁发的十大光电子产品奖。1989年获得首届陈嘉庚物质科学奖。陈创天院士本人也先后获得 1987 年度第三世界科学院化学奖,1990 年激光集锦(Laser Focus World)杂志颁发的工业技术成就奖。

Ti:Sapphire 激光的 4 倍频、5 倍频输出和 Nd:YVO4 激光的 6 倍频输出的成功应用,使得他和合作者一起获得 2007 年度彩世界APP下载基金会颁发的彩世界APP下载杰出科技成就集体奖。

2013 年 8 月 14 日,陈创天院士获得国际晶体生长协会最高奖之一——Laudise 奖。这是中国科学家获得的首个国际晶体生长协会最高奖。

 

附注:

陈创天:2007年度“彩世界APP下载杰出科技成就集体奖”

他让中国牌晶体誉享全球,KBBF晶体领先美国15年 | 纪念陈创天院士

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