“中国牌晶体”这样走向世界

——记著名晶体材料专家陈创天院士的晶体研究之路

作者:白文龙

　　陈创天　材料科学专家，现任中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，北京人工晶体研究发展中心主任，国家“973计划”项目（2006～2010年）“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，“深紫外全固态激光源前沿装备自主研制工程”重大专项首席科学家（2006～2010年）。1990年当选为第三世界科学院院士。2003年当选为中国科学院院士。

　　响应祖国号召：到边疆去

　　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。小时候他就非常喜欢自然科学。1956年，国家需要大量的科技人才，党中央提出了向科学进军，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。50年代的北京大学物理系集中了一大批扬名海内外的著名学者：王昆、王竹溪、胡宁、杨立民、郭得仁……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，使陈创天受到了国际一流的训练。

　　1962年陈创天大学毕业，他的老师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），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！他服从组织安排去了福建，从此开始了他一生坚持不懈的研究工作。

　　逆境中坚持不懈

　　当时的福建物质结构研究所专门研究物质的微观结构（在原子、分子层次）和宏观性能之间的相互关系，刚到所里，所长卢嘉锡教授就要求陈创天“为将来着想，从现在开始学习化学”。基于这一建议，陈创天用了三年的时间全面系统地掌握了量子化学等理论知识，这使他不仅有了扎实的物理理论基础，又有了很好的化学理论基础。这是他后来从事晶体材料研究的一个重要前提。随后，陈创天选择了非线性光学晶体材料结构与性能相互关系研究、新型非线性光学晶体探索两个重要方向，并从1967年开始进行非线性光学晶体宏观光学性能和微观电子结构之间的相互关系的理论计算，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，正值文化大革命高潮时期，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，在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，参会者们提出这么一个思想：“现在世界上所有的非线性光学晶体材料都是国外发现的，我们总是跟着国外走，这样是不行的，我们一定要有自己晶体。一定要有自己的创新。但当时所有晶体材料都是像贝尔实验室那样的国际顶尖的科研单位搞出来的，我们行吗？”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β—BaB2O4(简称BBO)，可能是一个新的非线性光学晶体。在此基础上，又经过3年的努力，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，陈创天开始进行产业化。BBO发表于1984年，但1985年我国才有了专利法。LBO是有专利的，也是我国第一个有自主知识产权的非线性光学晶体。福建的中科院福建物质结构研究所做起了国内第一家晶体公司。

　　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。

　　领先国际 震撼世界

　　在BBO、LBO晶体产业化后，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，进一步发现了KBe2BO3F2（KBBF）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。

　　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。

　　最近，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193nm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。

　　后记

　　陈创天院士40多年的科研工作，就是中国非线性光学晶体的发展史。他为提高我们国家科技在国际上的地位贡献自己的力量，作出了杰出的贡献，取得了多项创造性成果，多年来共有发明专利20余项，SCI收录论文120余篇。他先后获得了1987年度第三世界科学院化学奖、1988年陈嘉庚物质科学奖。1989年获全国先进工作者称号，并获“五·一”劳动奖章。1990年获激光集锦（Laser Focus World）杂志颁发的工业技术成就奖，2004年获国家“973”计划先进个人奖，2007年获求是基金会颁发的求是杰出科技成就集体奖等荣誉。