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光學名人
陳創天

陳創天(1937.2.18—— 材料科學專家。浙江奉化人。

2003年當選為中國科學院院士。

主要從事新型非線性光學晶體的研究和發展。提出了晶體非線性光學效應的陰離子基團理論,解釋了各種主要類型非線性光學晶體的結構與性能相互關系。他及其合作者相繼發現了多種非線性光學晶體,廣泛的應用了激光科學技術領域和產業界。

早期生活

中學生活

1937218日,陳創天出生在浙江省奉化市大橋鎮斗門頭村的一個知識分子家庭。新中國成立后,陳創天告別就讀的奉化中學,隨著做會計師的父親全家遷至遼寧省沈陽市,完成初中學業后,1954年考入重點中學沈陽二中讀高中。

陳創天從小對數學有著特殊的愛好。進入沈陽二中后,最感興趣的是數學、物理兩門課。陳創天的物理老師在課上講以太論時,曾說引力場是一種物質。通過這種物質,物體之間會產生引力。這種當時頗為新奇的觀點讓陳創天產生了強烈的好奇心。正是這種好奇心,促使陳創天一輩子跟物理打上了交道。這位物理老師曾告訴陳創天,要解決引力場的機理問題,一定要學物理,特別是理論物理。這是陳創天決心報考北京大學物理專業的重要原因之一。

北大求學

19568月,陳創天以優異成績考入北京大學物理系物理學專業。在北大6年的求學階段,陳創天遇到了很多好老師。黃昆固體物理固體理論王竹溪熱力學統計物理郭敦仁特殊函數褚圣麟原子物理胡寧場論。嚴格的基礎教育、優良的師資、濃厚的科學研究氛圍和民主的學風,使陳創天受到世界一流的訓練,奠定了堅實的專業基礎。

工作履歷

1962年-1968年

1962年,陳創天大學畢業。北大物理系把陳創天推薦給我國著名物理化學家、化學教育家盧嘉錫院士,前往中國科學院設在福建省福州市的華東物質結構研究所(現為中國科學院福建物質結構研究所)。在盧嘉錫的指導下,陳創天又開始了3年化學方面的學習,自學了結構化學量子化學、群表示理論等等,在理論化學方面打下了堅實的基礎。

1965年,經過慎重考慮,陳創天選擇非線性光學材料結構和性能之間的關系作為研究方向,并得到盧嘉錫的支持。在此后兩年多時間里,陳創天采用量子化學方法,對非線性光學材料的結構與非線性光學效應之間的相互關系進行了大量的理論計算,花費1年多時間完成了理論推導工作,又用1年的時間通過手搖計算機進行計算,首先算出了鈦酸鋇晶體的非線性系數,后來又算出其他一些晶體的非線性光學系數。

1968年,陳創天提出,非線性光學效應是一種局域化的效應,是組成晶體的基本結構單元———陰離子基團的微觀倍頻系數的幾何迭加,陰離子基團的微觀倍頻系數可以通過陰離子基團的局域化、量子化學軌道波函數,通過二級微擾理論算出來。這就是國際上著名的非線性光學效應的陰離子基團理論。

1977年-1997年

1977年,陳創天被盧嘉錫任命為非線性光學材料探索組組長。陳創天根據自己提出的非線性光學效應的陰離子基團理論模型,以及自己積累的晶體生長等實驗經驗,同時開展了理論計算、結構選型、系統的固態化學合成、粉末倍頻效應測試、單晶生長等實驗工作。從此,他的新型非線性光學晶體探索研究走上了系統研究的軌道。

1978年,他開始結構選型。基于自己的非線性光學效應的陰離子基團理論,陳創天決定做紫外光譜區的非線性光學晶體。

1979年,在研究組的共同努力下,他開始在硼酸鹽化合物體系中探索新型非 線性光學晶體,發現(B3O6)基團是一個較為理想的探索新一代非線性光學晶體的基本結構單元,又在此基礎上經過與合作者的一系列實驗研究,確定低溫相偏硼酸鋇(β—BaB2O4,簡稱BBO)是一種優秀的非線性光學晶體。沿著這一科學思想,他們陸續發現了以(B3O7)基團為基本結構單元的LiB3O5(簡稱LBO)晶體和以(BO3)基團為基本結構單元的KBe2BO3F2KBBF)等等。

1978年,陳創天發現偏硼酸鋇化合物中的某一相可能是一個非常有希望實現新突破的新型非線性光學晶體。在盧嘉錫院士等研究所領導的支持下,他組織力量,對硼酸鋇體系的相關系和晶體生長展開研究。

1980年,陳創天的研究組在中國科學院物理研究所梁敬魁院士研究組的幫助下,確定了所發現的具有很強非線性光學效應的硼酸鋇化合物是低溫相偏硼酸鋇,其化學分子式為β—BaB2O4,簡稱BBO。隨后2年,陳創天的科研團隊在BBO上又取得新進展————使用熔劑生長法,在世界上首次成功生長出厘米級尺寸的BBO單晶體,就是日后被國際同行譽為中國牌的晶體。BBO大塊單晶體生長的成功,為陳創天研究組對該晶體進行一系列光學性能測定奠定了堅實的基礎。通過測定倍頻系數大小和相匹配關系,證明了BBO是非常優秀的非線性光學晶體,不但可以產生可見光譜區的諧波光,還可以通過Nd:YAG激光(波長1064納米)的四次諧波,產生266納米的紫外諧波光,其倍頻轉換效率(532266納米)大大超過當時被公認最好的紫外非線性光學晶體———尿素單晶。

19839月,陳創天首次向國外同行報告BBO晶體的非線性光學性能,引起國際激光界的關注。

1987年,陳創天和他的研究團隊發現并生長出第二塊中國牌非線性光學晶體LBO。與BBO相比,LBO紫外截止波長紫移到150納米。LBO有適當的硬度和良好的機械加工性能,潮解性能良好,已經能夠長出大尺寸、高質量的單晶。LBO很快就獲得了國際激光科技界和工業界的認可,并被廣泛應用在激光工業界。在發現BBOLBO的同時,陳創天意識到,由于微觀結構條件的限制,這兩個晶體均無法通過簡單的倍頻技術產生深紫外光譜區的諧波光輸出。經過反復計算和思考,陳創天又開始了長達10多年的新型非線性光學晶體的探索之路。

1998年

1998年,陳創天被調至中國科學院新成立的理化技術研究所,負責組建中國科學院北京人工晶體研究發展中心。在知識創新工程支持下,陳創天研究團隊吸收了一批曾在國外接受過多年訓練的青年科學家,研發實力得到進一步提高。

2002年,陳創天研究組研制出新型晶體器件———氟硼鈹酸鉀棱鏡耦合裝置。

2006年,中科院物理所與理化所合作,使用KBBF—PCD器件,在國際上首

 次成功建造了真空紫外激光角分辨光電子能譜儀。此臺儀器的核心部件就是能產生177.3納米相干光的KBBF—PCD器件,使光電子能譜儀發生了革命性的變化,大大促進了人們對固體材料中各種奇異電子特性的了解。

2008320日,中科院物理所召開新聞發布會宣布,陳創天研究組和中外合作者利用中國自主研制的國際上第一臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀,在高溫超導體中研究中取得了初步成果,觀察到了一種新的電子耦合模式。

科研情況

研究領域

陳創天院士的主要研究領域是光電功能晶體材料。光電功能晶體是光電子技術領域的重要基礎材料。利用光電功能晶體能對光波進行頻率、偏振、幅度等調控,被稱為光學半導體。這類晶體在信息、激光高技術、醫療、國防等領域有重大應用價值。

陳創天院士在光電功能晶體材料研究領域的主要研究內容包括:1. 晶體材料結構與性能研究;2. 功能晶體材料的分子設計;3. 新型非線性光學和電-光材料探索與生長;4. 晶體光學性能測試與器件設計研究;5.非線性光學晶體的應用。

科研項目

1. 國家“973”計劃項目(2006-2010光電功能晶體結構性能、分子設計、微結構設計與制備過程的研究,課題負責人。

2.“深紫外全固激光源前沿裝備自主研制工程重大專項項目(2006-2009),首席科學家

成就與榮譽

學術成就

陳創天院士提出的晶體非線性光學效應的陰離子基團理論在國內外學術界得到很高評價,已被國內外的同領域科學家逐漸接受并成功地用于指導新型非線性光學材料的探索研究。他領導的研究組和合作者一起相繼發明了被譽為中國牌晶體的非線性光學晶體BBOLBO

2007年,他的研究組和合作者一起,在國際上首次實現了Ti:Sapphire激光的4倍頻、5倍頻輸出(200nm170.0nm)和Nd:YVO4激光的6倍頻輸出(177.3nm),并獲得14mW的平均功率輸出。Nd:YVO4激光的6倍頻光源已成功的應用于超高分辨率光電子能譜儀,并首次直接觀察到超導體超導態時的超導能隙,引起國際上很大反響。另外,這一相干光源還將推動193nm光刻技術、納米級微機械加工的發展。

經濟貢獻

陳創天院士等人的科研成果為中國帶來了巨大的經濟效益。中國LBO晶體的銷量曾達到占全世界80%以上,年銷售額超過700萬美元。

2002年研制出來的新型晶體器件KBBF—PCD,每個器件的市場價格3萬至5萬美元不等。KBBF—PCD器件已經被應用在中日兩國研制的真空紫外超高分辨率光電子能譜儀中,并于2005年首次直接觀察到超導體超導態時的超導能隙和庫珀電子對的形成,為高溫超導體的機理研究提供了新的實驗證據,引起了相關領域科學界的高度重視。由于其不可替代的關鍵作用,KBBF—PCD器件被稱為光電子能譜儀的芯片。

基于KBBF—PCD器件的深紫外全固態激光光源,由于其高光束質量、窄線寬等優點,在先進科學儀器設備制造、193納米光刻技術和微納米精細激光加工的發展,以及化學反應動力學等基礎研究方面有重要應用。

所獲榮譽

BBO晶體獲1986年度中科院科技進步特等獎,LBO晶體獲1990年度中科院發明一等獎,1991年度國家發明一等獎。BBOLBO晶體還分別于19871989年獲美國光電子產業界頒發的十大光電子產品獎。1989年獲得首屆陳嘉庚物質科學獎。陳創天院士本人也先后獲得1987年度第三世界科學院化學獎,1990年激光集錦(Laser Focus World)雜志頒發的工業技術成就獎。

Ti:Sapphire激光的4倍頻、5倍頻輸出和Nd:YVO4激光的6倍頻輸出的成功應用,使得他和合作者一起獲得2007年度求是基金會頒發的求是杰出科技成就集體獎。

2013814日,陳創天院士獲得國際晶體生長協會最高獎之一——Laudise獎。這是中國科學家獲得的首個國際晶體生長協會最高獎。

代表論著

1. C. T. Chen, Y. C. Wu, A. D. Jiang, B. C. Wu, G. M. You, New Nonlinear-optical Crystal: LiB3O5, J. Opt. Soc. Am.B, 1989, Vol. 6 (4), 616-621 

2. C. T. Chen, Y. B. Wang, B. C. Wu, K. C. Wu, W. L. Zeng and L. H. Yu, Design and Synthesis of an Ultraviolet-transparent Nonlinear Opitcal Crystal Sr2Be2B2O7, Nature, 1995, Vol. 373, 322-324 

3. C. T. Chen, J-H. Lu, T. Togashi, T. Suganuma, T. Sekikawa, S. Watanabe, Z-Y. Xu, J-Y. Wang, Second harmonic generation form a KBe2BO3F2 crystal in the deep ultraviolet, Opt. Let. 27(8), 637-639(2002) 

4. C.T.Chen,T.Kanai,X.Y.Wang,Yzhu and S.Watanabe,Opt.Lett33(3),282-284(2008) 

5.H. W. Huang, J. Y. Yao, Z. S. Lin, X. Y. Wang, R. He, W. J. Yao, N. X. Zhai, C. T. Chen*, NaSr3Be3B3O9F4: A Promising Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Material Resulting from the Cooperative Alignment of the [Be3B3O12F]10? Anionic Group, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9141–9144

成功原因

陳創天認為自己成功的原因主要靠三點:第一,是國家的長期堅持,不急于求成。晶體材料的研究從未中斷,一直延續下來。第二,是晶體材料領域的科學作風好,不功利。晶體材料是實用科學,以應用、拿得出有用的材料為目的,在這個領域很難弄虛作假。第三,是中國晶體界的團結合作。

2004年,陳創天在訪問母校浙江省寧波市奉化中學時,回憶起在物質結構研究所工作的日子,曾感慨地說:搞科學,需要付出一輩子的心血。要達到科學研究的頂峰,就要有獻身科學的精神,甘心過清貧寂寞的生活,不要為金錢所誘惑,要實事求是、艱苦奮斗、努力創新。于是,有記者將實事求是、艱苦奮斗、努力創新稱為陳創天院士成功的金字口訣。

 

 


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