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逆境中長出的“中國牌”晶體

激光制造網(wǎng) 來源:中國科學(xué)報(bào)2024-09-02 我要評(píng)論(0 )   

2009年2月,國際期刊《自然》發(fā)表題為《中國晶體——藏匿的珍寶》的采訪調(diào)研文章,認(rèn)為中國禁運(yùn)氟代硼鈹酸鉀晶體(KBBF),將對(duì)美國功能晶體相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)...

2009年2月,國際期刊《自然》發(fā)表題為《中國晶體——藏匿的珍寶》的采訪調(diào)研文章,認(rèn)為中國禁運(yùn)氟代硼鈹酸鉀晶體(KBBF),將對(duì)美國功能晶體相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并斷言“其他國家在晶體生長方面的研究,還無法縮小與中國的差距”。


該文的緣起是中國2007年正式宣布停止對(duì)外提供KBBF,美國人不惜重金請(qǐng)求購買或邀請(qǐng)相關(guān)中國專家去美國工作,都被嚴(yán)詞拒絕。中國科學(xué)家用國際領(lǐng)先的自主創(chuàng)新成果在高技術(shù)領(lǐng)域?qū)γ绹f“不”。


從20世紀(jì)60年代開啟理論研究,到80年代研制出低溫相偏硼酸鋇晶體(BBO)、三硼酸鋰晶體(LBO),再到90年代研制出KBBF,中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所(以下簡稱福建物構(gòu)所)等單位的科學(xué)家,打破了中國在晶體生長領(lǐng)域仿制、跟跑的局面,讓“中國牌”晶體閃耀世界。


幾十年過去了,“中國牌”晶體這個(gè)“老字號(hào)”更顯創(chuàng)新活力。很難想象,當(dāng)年研發(fā)“中國牌”晶體的科學(xué)家們經(jīng)歷了怎樣的奮斗歷程。


不跟在外國人后面走


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材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。作為一類重要材料,晶體指能自發(fā)生長成規(guī)則幾何多面體形態(tài)的物體。隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人工功能晶體已成為激光設(shè)備等不可或缺的基礎(chǔ)材料。


激光技術(shù)是20世紀(jì)“四大科技發(fā)明”之一。作為激光設(shè)備的上游關(guān)鍵部件,非線性光學(xué)晶體可以將某一頻率的激光轉(zhuǎn)換成另一頻率的激光。


20世紀(jì)60年代初,國外已發(fā)現(xiàn)一些非線性光學(xué)晶體材料,而中國尚未研發(fā)出自己的晶體。整體看,國際上非線性光學(xué)晶體研發(fā)都相對(duì)滯后,導(dǎo)致激光器進(jìn)一步應(yīng)用乏力。


功能晶體乃至所有功能材料的性能,都取決于其組成和結(jié)構(gòu),而這需要專業(yè)人才深入研究。在那個(gè)年代,我國缺乏這方面的人才,誰來研發(fā)“中國的晶體”?


1945年,我國結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域開拓者盧嘉錫留學(xué)歸國,組織隊(duì)伍開啟晶體材料研究,并在國內(nèi)首次招收以結(jié)構(gòu)化學(xué)專業(yè)為主的研究生。盧嘉錫1955年當(dāng)選中國科學(xué)院化學(xué)學(xué)部委員,1981年至1987年任中國科學(xué)院院長。


在美國留學(xué)期間,盧嘉錫在美國國家科學(xué)院院士鮑林的指導(dǎo)下,利用X射線和電子衍射法技術(shù)分析研究晶體結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu);他所設(shè)計(jì)的盧氏圖表載入《國際X射線晶體學(xué)用表(第二卷)》,被國際化學(xué)界應(yīng)用了幾十年。


國外晶體研究已開展數(shù)十年,我國如何趕超?基于對(duì)國際國內(nèi)晶體研究的分析,盧嘉錫認(rèn)為探索新晶體材料,不應(yīng)受國外學(xué)術(shù)思想束縛,跟在外國人的后面走,而應(yīng)在分析、總結(jié)國外已有工作基礎(chǔ)上走自主創(chuàng)新之路。


“打造科研平臺(tái)很關(guān)鍵。”福建物構(gòu)所所長曹榮介紹,1959年,中國科學(xué)院福建分院設(shè)立并籌建技術(shù)物理所、化學(xué)所等6個(gè)研究所和生物物理研究室。盧嘉錫一直構(gòu)想建立現(xiàn)代化物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究室,福建分院的設(shè)立讓他看到了希望。


1960年,盧嘉錫經(jīng)過深思熟慮,向中國科學(xué)院和福建省委提出將福建分院籌建的“六所一室”整合,最終形成福建物構(gòu)所,盧嘉錫為首任所長。自此,盧嘉錫帶領(lǐng)福建物構(gòu)所的研究團(tuán)隊(duì)開始研制非線性光學(xué)晶體。


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盧嘉錫(左)指導(dǎo)福建物構(gòu)所青年科技人員工作。


讓人匪夷所思的重大發(fā)現(xiàn)


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當(dāng)時(shí),我國缺乏技術(shù)、沒有經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)人才,只能從仿制起步。由于沒有理論指導(dǎo),工作很快就遇到瓶頸。 


那時(shí)科研條件極為簡陋。建所之初,主體建筑是一幢四方形平房,人員主要是復(fù)退軍人和大中專畢業(yè)生,辦公和儀器設(shè)備是從其他學(xué)校搬來的,吃飯就在臨時(shí)搭建的竹棚里。


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創(chuàng)辦初期的福建物構(gòu)所。


即便如此,盧嘉錫還是憑借研究積累,部署了結(jié)構(gòu)化學(xué)、非線性光學(xué)晶體等研究方向,希望從結(jié)構(gòu)化學(xué)角度探討晶體和分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。


構(gòu)想有了,關(guān)鍵是靠大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展大攻關(guān)。為此,盧嘉錫想方設(shè)法從高校調(diào)來理論物理等專業(yè)的畢業(yè)生,陳創(chuàng)天(2003年當(dāng)選中國科學(xué)院院士)就是其中之一。


那是1962年,陳創(chuàng)天25歲,剛從北京大學(xué)物理系畢業(yè)。到福建物構(gòu)所沒幾天,盧嘉錫就找到他,語重心長地說:“研究所搞的是結(jié)構(gòu)化學(xué),你的研究重點(diǎn)要從理論物理向結(jié)構(gòu)化學(xué)轉(zhuǎn)移?!?/p>


盧嘉錫給陳創(chuàng)天介紹了基本知識(shí)并列出參考書單,囑咐他“可邊工作邊學(xué)習(xí),不懂可來問我,相互切磋”。此后3年,陳創(chuàng)天系統(tǒng)學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí),最終選擇非線性光學(xué)材料結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系為研究方向。


1976年,苦心鉆研10年后,陳創(chuàng)天提出陰離子基團(tuán)理論,找到了非線性光學(xué)晶體材料宏觀效應(yīng)與微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)。次年,他被任命為非線性光學(xué)材料探索組組長。


據(jù)介紹,當(dāng)時(shí)研究所幾乎一窮二白,一群懷揣夢(mèng)想的年輕人自己動(dòng)手創(chuàng)造科研條件,如自行組裝激光器、測(cè)試設(shè)備等。1979年,研究組發(fā)現(xiàn)BBO是一種非常有希望的新型材料。3年后,他們終于生長出大塊BBO。


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BBO晶體。


中國科學(xué)家以翔實(shí)的數(shù)據(jù)和無懈可擊的實(shí)驗(yàn)證明了BBO是非中心對(duì)稱的晶體,在200納米至350納米波長范圍內(nèi),其透過率可達(dá)80%以上。


1986年,陳創(chuàng)天在美國參加一個(gè)國際激光與光電子會(huì)議,向全世界宣布成功研制出BBO,引起轟動(dòng)。業(yè)界贊譽(yù)這是中國人按照自己的科學(xué)思想創(chuàng)造出的首塊“中國牌”晶體。


吳以成(2005年當(dāng)選中國工程院院士)正是那一年在福建物構(gòu)所獲得博士學(xué)位。他回憶:“陳老師告訴我們,他發(fā)言結(jié)束后,參會(huì)的200多位科學(xué)家竟有一多半跟他出去向他進(jìn)一步了解情況,導(dǎo)致會(huì)都沒法開了。”


福建物構(gòu)所副所長、國家光電子晶體材料工程技術(shù)研究中心主任林文雄1988年被保送到福建物構(gòu)所讀研究生?!敖滩亩及袯BO寫進(jìn)去了。”林文雄說,BBO的面世讓全世界的科學(xué)家感到匪夷所思,他們感受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn),認(rèn)為這樣的重大發(fā)現(xiàn)不該在中國誕生,而應(yīng)在美國、日本或歐洲國家。


曹榮感慨,福建物構(gòu)所取得這樣的成就,離不開國家的一貫支持,也得益于中國科學(xué)院面向世界科技前沿、面向國家重大需求進(jìn)行的前瞻布局和建制化研究。


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福建物構(gòu)所建所初期的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究隊(duì)伍。


在高技術(shù)領(lǐng)域?qū)ν鈬f“不”


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正當(dāng)外國學(xué)者為橫空出世的“中國牌”晶體感到震驚時(shí),陳創(chuàng)天、吳以成等中國科學(xué)家又在1987年宣布一項(xiàng)新的重磅成果——他們發(fā)現(xiàn)并生長出第二塊“中國牌”晶體LBO。


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LBO晶體。


與BBO相比,LBO紫外截止波長移到150納米,是迄今為止實(shí)現(xiàn)高功率三倍頻輸出最好的非線性光學(xué)晶體。BBO、LBO分別被美國《激光電子學(xué)》雜志評(píng)為1987年、1989年“十大尖端產(chǎn)品”。


“BBO和LBO的背后,光研究組就有多個(gè),包括理論組、化學(xué)合成組、結(jié)構(gòu)分析組、相圖研究組、晶體生長組等。大家互相協(xié)作、勁往一塊兒使,才有這樣的結(jié)果?!眳且猿烧f。


山東大學(xué)教授王繼揚(yáng)介紹,當(dāng)時(shí)國內(nèi)晶體研究界有“三駕馬車”,分別是福建物構(gòu)所、山東大學(xué)和南京大學(xué),它們?cè)诰w生長、消除晶體疇等方面各有所長,非常團(tuán)結(jié)又能創(chuàng)新,把晶體研究這個(gè)國際上本不受重視的領(lǐng)域變成各國爭相研究的焦點(diǎn)?!拔覈茖W(xué)家有股迎難而上的拼勁,敢走新路、勇于自主探索?!?/p>


1988年,福建物構(gòu)所成立成果轉(zhuǎn)化公司——福建福晶科技股份有限公司(以下簡稱福晶科技),開啟了BBO、LBO商業(yè)化之路。


“商業(yè)化后,外國就眼紅了。BBO面世時(shí),中國的專利法還沒出臺(tái),但LBO研發(fā)出來時(shí)已有專利法,團(tuán)隊(duì)有意識(shí)地申請(qǐng)專利將它保護(hù)起來?!眳且猿烧f,美國最先坐不住,他們以專利無效為借口和中國打官司,希望能取消中國的LBO晶體專利權(quán)。


“美國最終沒有憑借蹩腳的理由得逞。”吳以成回憶,當(dāng)時(shí)國際上關(guān)于LBO的研究成果都是中國科學(xué)家發(fā)表的,團(tuán)隊(duì)把整個(gè)研究的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)記錄等收集起來應(yīng)訴,最終打贏了官司。


這個(gè)案例再次印證了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。“那時(shí)候,團(tuán)隊(duì)里以林朝熙為代表的知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的專家就懂得申請(qǐng)專利,他們不是為了報(bào)獎(jiǎng),而是要把自主創(chuàng)新成果保護(hù)起來。”林文雄說,更關(guān)鍵的是,他們申請(qǐng)的不是晶體生長專利,而是器件專利,很好地避免了國外鉆空子侵權(quán)。


LBO面世前,美國等國家都在基于BBO等晶體開展多倍頻研究,中國科學(xué)家也在尋求新突破。


“我國雖已取得領(lǐng)先成果,但當(dāng)時(shí)科研條件仍很落后?!眳且猿膳e例,LBO晶體生長是在坩堝中進(jìn)行的,耐溫1000攝氏度以上的鉑金是做坩堝的理想材料。當(dāng)時(shí)鉑金比黃金還貴,一小塊就上千美元?!拔覀兠看斡猛贳釄宥家Q重,如有損耗須說明。然而落后的科研條件沒能阻止我們做出領(lǐng)先世界的重大成果?!?/p>


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科研人員用提拉法培養(yǎng)晶體。


外國對(duì)中國科學(xué)家的態(tài)度,也隨著“中國牌”晶體的相繼面世,從傲慢轉(zhuǎn)向尊重。


吳以成回憶,陳創(chuàng)天講過這樣一件事。BBO面世前,有位中國學(xué)者在美國一家實(shí)驗(yàn)室工作,有人不小心打碎了一塊杜邦公司生產(chǎn)的非線性光學(xué)晶體,中國學(xué)者想把碎片帶回國研究,但被實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人以保密為由拒絕。沒想到數(shù)年后,中國就制備出領(lǐng)先世界的BBO。


20世紀(jì)90年代,陳創(chuàng)天在日本訪問期間,日方曾為他升起中國國旗表示尊敬和歡迎。


研發(fā)出BBO、LBO后,陳創(chuàng)天團(tuán)隊(duì)意識(shí)到,由于微觀結(jié)構(gòu)條件限制,二者無法通過簡單倍頻技術(shù)產(chǎn)生深紫外光譜區(qū)的諧波光輸出。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和思考,陳創(chuàng)天等又踏上一條長達(dá)10多年的新型非線性光學(xué)晶體探索之路,研制出全球獨(dú)一無二的KBBF。


KBBF是目前唯一可直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體。當(dāng)時(shí)國際激光界普遍認(rèn)為,用固體激光器產(chǎn)生波長小于200納米的激光幾乎不可能,KBBF則使激光最短波長達(dá)到184.7納米,在深紫外激光領(lǐng)域大展身手。


KBBF獨(dú)特的薄片層狀生長習(xí)性,使其難以獲得實(shí)際應(yīng)用。為此,陳創(chuàng)天聯(lián)合中國科學(xué)院院士蔣民華團(tuán)隊(duì)、中國工程院院士許祖彥團(tuán)隊(duì)等開展聯(lián)合攻關(guān),攻克晶體生長難關(guān),實(shí)現(xiàn)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領(lǐng)先地位。


2007年,KBBF被禁止對(duì)外出口。中國科學(xué)家用國際領(lǐng)先的自主創(chuàng)新成果,在高技術(shù)領(lǐng)域?qū)ν鈬f“不”。


“老字號(hào)”煥發(fā)新活力


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2000年,洪茂椿(2003年當(dāng)選中國科學(xué)院院士)任福建物構(gòu)所常務(wù)副所長,主持研究所工作。當(dāng)時(shí),中國科學(xué)院基于對(duì)知識(shí)創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新前沿的把握,批準(zhǔn)福建物構(gòu)所關(guān)于福晶科技改制的申請(qǐng),做大做強(qiáng)“中國牌”晶體產(chǎn)業(yè)。洪茂椿面臨的第一個(gè)難題,就是讓“好酒”走出“深巷”。


“首先要聚人才?!焙槊槐硎?,當(dāng)時(shí)福建物構(gòu)所建所成立已有40多年,老一輩科學(xué)家年紀(jì)大了,科學(xué)家梯隊(duì)出現(xiàn)了斷層?!爱?dāng)時(shí)所里引進(jìn)了一批人才,積極申請(qǐng)系列科研項(xiàng)目,包括多個(gè)上億元的大項(xiàng)目。”


洪茂椿強(qiáng)調(diào),當(dāng)時(shí)申請(qǐng)項(xiàng)目并非盲目擴(kuò)充研究方向,而是更聚焦科技創(chuàng)新價(jià)值鏈,把知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈接起來,以國家重大需求推動(dòng)福建物構(gòu)所的科學(xué)研究。


2008年,福晶科技正式上市。幾年里,洪茂椿經(jīng)常白天忙完,晚上回所里搞科研,企業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)是現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用。好在經(jīng)過幾年努力,人才梯隊(duì)建起來了,晶體產(chǎn)業(yè)發(fā)展脈絡(luò)理順了。


這個(gè)團(tuán)隊(duì)人才濟(jì)濟(jì)。中國科學(xué)院光電材料化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任吳少凡帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于激光與非線性光學(xué)晶體、閃爍晶體新型功能材料研究,成果已在國家重大工程中獲得應(yīng)用。“90后”研究員羅敏已成長為課題組長,聚焦非線性光學(xué)晶體材料的設(shè)計(jì)、合成和生長,以學(xué)術(shù)骨干身份參與國家重大項(xiàng)目和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等。


走進(jìn)福晶科技的晶體熔鹽車間,工作人員正在一排排晶體生長監(jiān)控器前觀察晶體生長爐的溫度?!耙郧熬w生長都需要工作人員在坩堝旁守著,溫度很高,夏天更受不了,現(xiàn)在定時(shí)觀察顯示器即可。”福晶科技董事長陳輝說。


如今的福晶科技已成為全球知名的LBO、BBO、磁光晶體等龍頭廠商,產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于激光、半導(dǎo)體等領(lǐng)域,2023年實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入7.82億元。


“需求端推動(dòng)供應(yīng),目前公司生產(chǎn)的我國原創(chuàng)晶體占全球此類晶體生產(chǎn)總量的近五成,出口超過四成?!标愝x說,“國內(nèi)晶體需求占全球總需求的比例,從20世紀(jì)90年代初的不足5%到如今超過五成,說明我們積極應(yīng)對(duì)了產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移及國內(nèi)需求增長等市場變化?!?/p>


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晶體提拉生長車間。福建物構(gòu)所供圖


今天,我國的晶體研究是否依然領(lǐng)先?曹榮表示,我國原創(chuàng)晶體在研制和應(yīng)用上不斷取得新成果,始終領(lǐng)先國際。近年來,福建物構(gòu)所又取得一系列引領(lǐng)國際的研究成果,使我國成為激光晶體強(qiáng)國。


“當(dāng)前,我們正積極將人工智能技術(shù)應(yīng)用到晶體設(shè)計(jì)和生長等環(huán)節(jié)?!辈軜s表示,福建物構(gòu)所將進(jìn)一步面向世界科技前沿及國家重大需求,搶占科技制高點(diǎn),助推我國科技創(chuàng)新事業(yè)邁上新臺(tái)階。


“縱觀我國晶體研究發(fā)展史,我感受最深的就是科研沒有捷徑,是靠一代又一代科學(xué)家一步步走出來的?!焙槊槐硎荆趧e人后面永遠(yuǎn)不是創(chuàng)新。正是有了國家和中國科學(xué)院對(duì)晶體研究的持續(xù)大力支持,有了幾代科學(xué)家的團(tuán)結(jié)互助、勠力創(chuàng)新,我國晶體研究才長盛不衰。


《中國科學(xué)報(bào)》 (2024-09-02 第4版 專題)


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