中国共产党优秀党员、著名材料学家、中国科学院院士、第三世界科学院院士、中国科学院理化技术研究所研究员陈创天先生,因病医治无效,于2018年10月31日9时57分在北京逝世,享年82岁。
2009年美国Nature杂志文章《中国藏起了这种晶体 - China's crystal cache》报道中国禁运KBBF晶体,评价“A Chinese laboratory is the only source of a valuable crystal.”,来自中国的一个实验室是这种贵重晶体的唯一来源。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。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。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。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。
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。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。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。
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。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。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。福晶科技生产的LBO晶体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。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。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。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。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年度求是基金会颁发的求是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。