2018年10月31日,著名材料学家、中国科学院院士陈创天在北京逝世,享年82岁。陈创天院士长期从事晶体材料的研究工作,提出了“晶体非线性光学效应的阴离子基团”理论,并成功地运用于新型无机非线性光学材料的探索研究中。
他领导的研究组相继发明了具有重要工业应用价值的新型非线性光学晶体BBO和LBO,近年来又陆续发展出具有重要应用前景的深紫外非线性光学晶体KBBF、SBBO和KABO等,并同合作者一起,在国际上首次实现了Nd:YVO4激光的6倍频谐波光输出(177.3 nm)。
2010年,陈创天院士在《中国激光》杂志撰文,回顾了硼酸盐非线性光学晶体的研究历程。今天,让我们重温,以纪念这位为中国光学事业作出卓越贡献的科学家。
1962年夏季,我从北京大学物理系毕业,被分配到福州的中国科学院华东物质结构研究所,专门从事物质的微观结构和宏观性能之间的相互关系方面的研究。由于我是学理论物理的,但我们研究所属化学类型研究所,因此我的知识结构必须“化学化”,才能做出成绩来。于是从1962年11月到1965年上半年,我整整花了三年时间,学习有关理论化学方面的知识。
1965年开始,随着国家经济形势的好转,研究所的科研设备也开始陆续到位,于是卢嘉锡教授开始要求我确定研究课题。当时的物构所,主要有两个研究方向,一个是结构化学,另一个是晶体材料。由于我来自北京大学物理系,选题很自然看中单晶材料的结构与性能相互关系的研究。
1974年,中国晶体学界在福州召开第三次全国晶体生长学术会议。在会上,大家认真讨论了我国晶体学界所面临的一个最大问题:就是到1974年为止,尽管我国已能生长激光和非线性光学晶体中的重要品种,但所有这些品种均由国外发现,也就是说所有这些晶体的专利权均被国外控制。因此,在会上大家一致认为,这种跟在国外后面走的状况不能再继续下去了,在激光非线性光学晶体领域,一定要走自己的路,一定要发现自己的新晶体。
1976年物构所开始恢复研究工作,在第一批恢复的研究工作中,就决定成立新型非线性光学晶体材料探索组,卢嘉锡所长亲自任命我为这一研究组的组长。在研究组成立之初,除了几位志同道合的研究人员以外,我们手中几乎是空白的。我们花了一年半的时间,建立必要的测试设备,特别是倍频效应的粉末测试设备和单晶倍频系数的测试设备,所用的激光器也是自己组装的。
1979年5月开始,我们研究组就集中力量在硼酸盐系列中探索新的非线性光学晶体,很快就发现低温相偏硼酸钡(β-BaB2O4,简称BBO)是一个非常有希望的新型非线性光学晶体的候选者。然而生长出大块BBO单晶体,整整花了三年时间,终于在1983年,由江爱栋领导的晶体生长组生长出厘米级BBO晶体。
1984年在BBO晶体通过中国科学院院级鉴定后,为了促使BBO晶体在中国开花,也在中国结果,决定在两年内,暂不开展同国外的合作,让中国科学家有优先使用的权利,然而执行的结果很不理想。
1986年6月,在旧金山召开了CLEO’86/IQEC’86会议,在会议上,我们以中国科学院福建物质结构研究所和斯坦福大学联合研究的方式公布了上述结果,报告的题目是:“Efficient high-power harmonic generation in β-BaB2O4”。
BBO和LBO晶体发现后,我们意识到,这两种晶体由于基本结构的原因,不能实现使用直接倍频的方法产生深紫外(波长短于200 nm)谐波光。面对这个困难,我们研究组探索深紫外非线性光学晶体的决心并没有动摇,而是继续按照分子工程设计学方法,首先提出探索深紫外非线性光学晶体的基本结构条件,然后寻找合适的化合物,考察其基本结构是否满足所提出的结构要求。
2002年,在和山东大学晶体所的合作研究中,我们才得到了1.8 mm厚的大块KBBF单晶,并很快获得2.5 mW,177.3 nm的谐波光输出。从此正式确立KBBF晶体是一种非线性光学性能非常优秀的深紫外非线性光学晶体,并打开了全固态深紫外光源的大门。