中国科学院理化技术研究所组建20周年
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晶体中心20年

发表日期:2019-06-05来源:王晓洋 人工晶体研究发展中心放大 缩小

今年是晶体中心成立20周年,也恰逢理化所组建20周年,非常值得庆贺。   

1998年,中科院以路甬祥为院长的领导班子在全国率先提出了中科院科技创新计划,核心就是精简科研机构和人员,组织精干队伍,投入比过去强度大得多的资金,使重点研究计划能够加快取得进展。在此背景下,根据中科院批文,第三世界科学院院士陈创天调到北京,负责组建中科院北京人工晶体研究发展中心,并获批3000万元建设资金。陈创天老师召集了一批年轻有为的青年科学家,使研究团队得到了很大的加强。与此同时,各种材料合成和单晶生长设备等硬件条件也陆续到位。1999年北京人工晶体研究发展中心正式成立,陈创天担任主任,依托于中科院低温技术实验中心。

19996月中国科学院理化技术研究所组建,是以原中科院感光化学研究所、低温中心为主体,联合北京人工晶体研究发展中心和化学研究所的相关部分整合而成。

我和晶体中心很早就有交往,那是2003年我原单位和晶体中心、山东大学一起申请国家基金委重大项目。记得第一次到晶体中心,那是一栋独立的白色二层小楼,门口挂着一块牌子:北京人工晶体研究发展中心(图1)。门前两颗大松树,挺拔伫立。门禁严格,需刷卡进入,给人一种世外桃源(独立王国)的感觉。我心中暗想,这样的环境才适合搞科学研究。

1. 北京人工晶体研究发展中心

就在这楼里,我平生第一次见到了陈创天院士。那是一个会议的间隙,陈院士走进来,跟大家道声辛苦,并鼓励大家做好申报工作,争取拿下这个项目。陈院士身材高大,满面红光,神采奕奕,一望便知正是年富力强大展雄图的年纪。当时,中国晶体界流传着三驾马车之说,指南京大学的闵乃本院士,山东大学的蒋民华院士,和陈创天院士。这三位先生引领着中国晶体的发展方向。其中,陈院士可以说是年轻成名,早在上世纪80年代就以发现了BBOLBO而闻名于世,可以说,他是一位真正的世界级科学家。从我后来和国际学术界打交道发现,国际晶体界和激光界几乎都知道陈创天这个大名。

没想到不久之后,200411月,我调入理化所晶体中心工作。陈院士立即找我正式谈工作,介绍了研究背景以及今后的发展方向。原来,为了将固体激光波段拓展到在深紫外光谱区(波长小于200纳米),陈院士经过长达10多年的科研探索之路,认定氟硼铍酸钾(KBe2BO3F2,简称KBBF)。这种新晶体能有效实现深紫外激光输出,从而将全固态激光波段拓展到深紫外区域,这正式打开了深紫外全固态激光应用的大门。当时陈创天院士和许祖彦院士(隶属物理所)强强合作,正将KBBF棱镜耦合器件应用到中、日两国研制的真空紫外超高分辨率光电子能谱仪,这是开创性的工作,将发现凝聚态物理一系列新的现象,特别是为高温超导体的机理研究提供了新的实验证据。陈院士判断,基于KBBF-PCT器件的深紫外全固态激光光源,由于其高光束质量、窄线宽等优点,在先进科学仪器设备制造、193nm光刻技术和微、纳米精细激光加工的发展,以及化学反应动力学等基础研究方面有重要应用。所以全固态深紫外激光源将会有一个很大的发展空间。但是KBBF晶体生长非常困难,遇到了瓶颈。所以陈院士将晶体生长的重任交给了我。

后面的进展完全证明了陈院士的预判。从此开始,基于深紫外非线性光学晶体KBBF及棱镜耦合器件的深紫外全固态激光源进入大发展期间,并引起了全世界科学界的高度重视。

2006年理化所和物理所合作,在国际上首次成功地建造了真空紫外激光角分辨光电子能谱仪(图2),可同时测定电子的能量和动量。此台仪器的核心部件就是能产生177.3nm相干光的KBBF棱镜耦合器件。使用这台仪器在2007年观察到Bi2212超导体单晶在超导态时的一种新的电子同其它准粒子的偶合模式,有可能精确地测定高温超导体在超导态时各向异性的超导能隙,这是以往的积分模式的激光光电子能谱仪测不出的。为此,中科院物理所和理化所于2008320日联合召开新闻发布会,宣布了这一研究结果。

2. 理化所和物理所合作建立的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪

 

由于其不可替代的关键作用,KBBF棱镜耦合器件(图3)相当于光电子能谱仪的芯片,在国际市场供不应求。为了推动我国具有自主知识产权的先进科学仪器的研制,财政部和中国科学院首次启动一个国家重大科研装备项目,“深紫外固态激光源前沿装备研制”,于200711月正式启动,总经费1.8亿元。晶体中心和激光中心(其时许祖彦院士团队已经正式整编从物理所调入理化所)在KBBF晶体及其棱镜耦合器件的基础上研制出两个系列的实用化、精密化深紫外全固态激光源,用于专项研制成功光电子能谱仪、光发射电子显微镜等8种国际首创的先进科学仪器,并在其上作出了一批国际前沿的研究成果。与此同时,为保证这一专项的进行,中科院对国外实施KBBF晶体及器件的禁售。2013年,专项顺利完成,使得我国成为当今世界上唯一一个能够制造实用化、精密化深紫外全固态激光器的国家。这被两院院士评为2013年中国十大科技进展。同年KBBF相关成果获得2013年度国家技术发明二等奖。

3.KBBF族晶体和棱镜耦合器件

 

财政部和中科院又继续启动深紫外专项二期,将应用领域从物理、化学、材料领域向信息、生命、资环领域拓展,研制6种国际首创基于深紫外激光的重大装备。目前二期项目进展顺利即将验收。

由于陈创天院士团队在深紫外非线性光学晶体研究方面的突出成绩,国际著名科学期刊Nature2009219日专门发表评述论文,介绍陈创天院士的研究工作,介绍KBBF晶体和棱镜耦合装置。并指出“(KBBF)确实可以推动相关领域向前发展”,而“中国是目前唯一能够研制此种晶体(KBBF)的国家”。

陈创天院士在这个重要的研究领域中不畏辛苦,努力工作,这奠定了我国在该领域的国际地位。陈创天院士本人的科研工作也赢得了国际同行的认同,为此他获得了2013年国际晶体生长协会最高奖之一——Laudise奖。

4. 陈创天院士获得2013年国际晶体生长协会最高奖之一——Laudise

 

深紫外全固态激光源由于线宽窄,单个光子能量高,从而将在分子的激发光分解、自由基反应,超激发态分子等诸多方面开拓新的研究领域。随着全固态深紫外激光光源的发展和技术的成熟,将会有越来越多的应用被发现,从而使这一光源在科学研究和高技术领域发挥越来越大的作用。目前,晶体中心已经在理化所廊坊基地建立了KBBF晶体小规模生产线(图5)。随着KBBF晶体尺寸、光学质量的提高,全固态深紫外激光源的频谱范围将更加扩大,平均功率密度将继续提高,从而使其应用面更加扩大。可惜的是,在此紧要关头,陈创天院士不幸于201810月去世!其时正逢2018年诺贝尔物理学奖公布不久,德国马普所的激光大咖Valentine Petrov对来访的山东大学王继扬教授说,钛宝石、BBOLBO晶体的发现者更应该获得今年(2018年)的诺贝尔物理奖。我想,这应该是对陈院士的最高评价了吧!

5. 廊坊中试基地KBBF晶体小规模生产线

 

回顾晶体中心这二十年的历程,我们围绕前沿科学研究和国家战略需求,在院、所正确领导下,和激光中心合作,取得了一系列原创性的工作和成果。我们相信,陈创天院士与合作者所开创的深紫外全固态激光光源将是中国科技工作者对世界科技事业的一项真正贡献,对推动中国的前沿高技术和现代化仪器事业的发展也起到重要的作用。让我们继承陈院士的遗志,将其未尽的事业向纵深发展,争取取得更大成绩。

 

附七律一首

悼陈院士

求经问道毕其生,晶体激光竞领风。

万苦千辛非线性,呕心沥血氧铍硼。

年年岁岁景相似,岁岁年年人不同。

泰斗已骑黄鹤去,独留门户两青松。

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