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光学名人
陈创天

陈创天(1937.2.18—— 材料科学专家。浙江奉化人。

2003年当选为中国科学院院士。

主要从事新型非线性光学晶体的研究和发展。提出了晶体非线性光学效应的阴离子基团理论,解释了各种主要类型非线性光学晶体的结构与性能相互关系。他及其合作者相继发现了多种非线性光学晶体,广泛的应用了激光科学技术领域和产业界。

早期生活

中学生活

1937218日,陈创天出生在浙江省奉化市大桥镇斗门头村的一个知识分子家庭。新中国成立后,陈创天告别就读的奉化中学,随着做会计师的父亲全家迁至辽宁省沈阳市,完成初中学业后,1954年考入重点中学沈阳二中读高中。

陈创天从小对数学有着特殊的爱好。进入沈阳二中后,最感兴趣的是数学、物理两门课。陈创天的物理老师在课上讲以太论时,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。这位物理老师曾告诉陈创天,要解决引力场的机理问题,一定要学物理,特别是理论物理。这是陈创天决心报考北京大学物理专业的重要原因之一。

北大求学

19568月,陈创天以优异成绩考入北京大学物理系物理学专业。在北大6年的求学阶段,陈创天遇到了很多好老师。黄昆固体物理固体理论王竹溪热力学统计物理郭敦仁特殊函数褚圣麟原子物理胡宁场论。严格的基础教育、优良的师资、浓厚的科学研究氛围和民主的学风,使陈创天受到世界一流的训练,奠定了坚实的专业基础。

工作履历

1962年-1968年

1962年,陈创天大学毕业。北大物理系把陈创天推荐给我国著名物理化学家、化学教育家卢嘉锡院士,前往中国科学院设在福建省福州市的华东物质结构研究所(现为中国科学院福建物质结构研究所)。在卢嘉锡的指导下,陈创天又开始了3年化学方面的学习,自学了结构化学量子化学、群表示理论等等,在理论化学方面打下了坚实的基础。

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。在此后两年多时间里,陈创天采用量子化学方法,对非线性光学材料的结构与非线性光学效应之间的相互关系进行了大量的理论计算,花费1年多时间完成了理论推导工作,又用1年的时间通过手摇计算机进行计算,首先算出了钛酸钡晶体的非线性系数,后来又算出其他一些晶体的非线性光学系数。

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。

1977年-1997年

1977年,陈创天被卢嘉锡任命为非线性光学材料探索组组长。陈创天根据自己提出的非线性光学效应的阴离子基团理论模型,以及自己积累的晶体生长等实验经验,同时开展了理论计算、结构选型、系统的固态化学合成、粉末倍频效应测试、单晶生长等实验工作。从此,他的新型非线性光学晶体探索研究走上了系统研究的轨道。

1978年,他开始结构选型。基于自己的非线性光学效应的阴离子基团理论,陈创天决定做紫外光谱区的非线性光学晶体。

1979年,在研究组的共同努力下,他开始在硼酸盐化合物体系中探索新型非 线性光学晶体,发现(B3O6)基团是一个较为理想的探索新一代非线性光学晶体的基本结构单元,又在此基础上经过与合作者的一系列实验研究,确定低温相偏硼酸钡(β—BaB2O4,简称BBO)是一种优秀的非线性光学晶体。沿着这一科学思想,他们陆续发现了以(B3O7)基团为基本结构单元的LiB3O5(简称LBO)晶体和以(BO3)基团为基本结构单元的KBe2BO3F2KBBF)等等。

1978年,陈创天发现偏硼酸钡化合物中的某一相可能是一个非常有希望实现新突破的新型非线性光学晶体。在卢嘉锡院士等研究所领导的支持下,他组织力量,对硼酸钡体系的相关系和晶体生长展开研究。

1980年,陈创天的研究组在中国科学院物理研究所梁敬魁院士研究组的帮助下,确定了所发现的具有很强非线性光学效应的硼酸钡化合物是低温相偏硼酸钡,其化学分子式为β—BaB2O4,简称BBO。随后2年,陈创天的科研团队在BBO上又取得新进展————使用熔剂生长法,在世界上首次成功生长出厘米级尺寸的BBO单晶体,就是日后被国际同行誉为中国牌的晶体。BBO大块单晶体生长的成功,为陈创天研究组对该晶体进行一系列光学性能测定奠定了坚实的基础。通过测定倍频系数大小和相匹配关系,证明了BBO是非常优秀的非线性光学晶体,不但可以产生可见光谱区的谐波光,还可以通过Nd:YAG激光(波长1064纳米)的四次谐波,产生266纳米的紫外谐波光,其倍频转换效率(532266纳米)大大超过当时被公认最好的紫外非线性光学晶体———尿素单晶。

19839月,陈创天首次向国外同行报告BBO晶体的非线性光学性能,引起国际激光界的关注。

1987年,陈创天和他的研究团队发现并生长出第二块中国牌非线性光学晶体LBO。与BBO相比,LBO紫外截止波长紫移到150纳米。LBO有适当的硬度和良好的机械加工性能,潮解性能良好,已经能够长出大尺寸、高质量的单晶。LBO很快就获得了国际激光科技界和工业界的认可,并被广泛应用在激光工业界。在发现BBOLBO的同时,陈创天意识到,由于微观结构条件的限制,这两个晶体均无法通过简单的倍频技术产生深紫外光谱区的谐波光输出。经过反复计算和思考,陈创天又开始了长达10多年的新型非线性光学晶体的探索之路。

1998年

1998年,陈创天被调至中国科学院新成立的理化技术研究所,负责组建中国科学院北京人工晶体研究发展中心。在知识创新工程支持下,陈创天研究团队吸收了一批曾在国外接受过多年训练的青年科学家,研发实力得到进一步提高。

2002年,陈创天研究组研制出新型晶体器件———氟硼铍酸钾棱镜耦合装置。

2006年,中科院物理所与理化所合作,使用KBBF—PCD器件,在国际上首

 次成功建造了真空紫外激光角分辨光电子能谱仪。此台仪器的核心部件就是能产生177.3纳米相干光的KBBF—PCD器件,使光电子能谱仪发生了革命性的变化,大大促进了人们对固体材料中各种奇异电子特性的了解。

2008320日,中科院物理所召开新闻发布会宣布,陈创天研究组和中外合作者利用中国自主研制的国际上第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,在高温超导体中研究中取得了初步成果,观察到了一种新的电子耦合模式。

科研情况

研究领域

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。

科研项目

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

成就与荣誉

学术成就

陈创天院士提出的晶体非线性光学效应的阴离子基团理论在国内外学术界得到很高评价,已被国内外的同领域科学家逐渐接受并成功地用于指导新型非线性光学材料的探索研究。他领导的研究组和合作者一起相继发明了被誉为中国牌晶体的非线性光学晶体BBOLBO

2007年,他的研究组和合作者一起,在国际上首次实现了Ti:Sapphire激光的4倍频、5倍频输出(200nm170.0nm)和Nd:YVO4激光的6倍频输出(177.3nm),并获得14mW的平均功率输出。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超导态时的超导能隙,引起国际上很大反响。另外,这一相干光源还将推动193nm光刻技术、纳米级微机械加工的发展。

经济贡献

陈创天院士等人的科研成果为中国带来了巨大的经济效益。中国LBO晶体的销量曾达到占全世界80%以上,年销售额超过700万美元。

2002年研制出来的新型晶体器件KBBF—PCD,每个器件的市场价格3万至5万美元不等。KBBF—PCD器件已经被应用在中日两国研制的真空紫外超高分辨率光电子能谱仪中,并于2005年首次直接观察到超导体超导态时的超导能隙和库珀电子对的形成,为高温超导体的机理研究提供了新的实验证据,引起了相关领域科学界的高度重视。由于其不可替代的关键作用,KBBF—PCD器件被称为光电子能谱仪的芯片。

基于KBBF—PCD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、193纳米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。

所获荣誉

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。BBOLBO晶体还分别于19871989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。

2013814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。

代表论著

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

陈创天认为自己成功的原因主要靠三点:第一,是国家的长期坚持,不急于求成。晶体材料的研究从未中断,一直延续下来。第二,是晶体材料领域的科学作风好,不功利。晶体材料是实用科学,以应用、拿得出有用的材料为目的,在这个领域很难弄虚作假。第三,是中国晶体界的团结合作。

2004年,陈创天在访问母校浙江省宁波市奉化中学时,回忆起在物质结构研究所工作的日子,曾感慨地说:搞科学,需要付出一辈子的心血。要达到科学研究的顶峰,就要有献身科学的精神,甘心过清贫寂寞的生活,不要为金钱所诱惑,要实事求是、艰苦奋斗、努力创新。于是,有记者将实事求是、艰苦奋斗、努力创新称为陈创天院士成功的金字口诀。

 

 


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