高山仰止,景行行止——缅怀沈德忠先生

王晓洋

(中国科学院理化技术研究所,北京 100190)

图1 沈德忠院士(1940—2014)

时光飞逝,一转眼,尊敬的沈德忠先生已经离开我们近十年了。

认识沈先生是在1990年,那一年我大学毕业,分配到国家建筑材料工业局人工晶体研究所(现为中材人工晶体研究院有限公司,以下简称晶体院)。当时盛传建材系统有四大专家,晶体院独占两位,其中一位就是沈德忠先生,所里同事尊称他为“沈专”,当然,1995年沈先生当选中国工程院院士后,尊称也相应改为“沈院士”或“院士”。我于1998年应沈先生邀约做了他的副手,从此开始了在先生手下的七年科研生涯。应该说这七年是我人生收获最丰富的一段时光,从先生那里我学到了很多,包括学术、科研、做人的道理……。在此谨从我个人角度,回顾先生的工作和成就,以及与先生在一起的学习和生活,借此缅怀沈先生。

一、矢志不渝谋报国,育晶终生谱华章

沈先生于1964年9月毕业于四川大学物理系固体物理专业,扎实的理论功底以及善于思考和勤于动手,使他在科研工作中得心应手。沈先生先后对卤化物、铌酸盐、磷酸盐和硼酸盐等十多种晶体及其在光学、激光、非线性光学、光折变等领域的应用进行过研究,掌握了助熔剂法、提拉法、坩埚下降法、高频冷坩埚法和水热法等多种晶体生长技术。他先后生长出铌酸钾(KNbO3,简称KN)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4,简称KTP)等十多种晶体。成功地解决KN晶体生长过程中的赋色、开裂以及晶体应用过程中的定向、极化等系列难题,研制出大尺寸高光学质量的单畴KN单晶,使该晶体的实际应用和批量生产成为可能;首次在掺铁KN单晶上实现了室温自泵浦相位共轭;首次用改进的助熔剂法成功研制出大块高光学质量的KTP单晶,不但打破了美国对该晶体的垄断和对我国的禁运,而且还实现了该晶体的批量生产和对外出口,取得了显著的效益。

自从1960年人类实现第一束激光,继而于次年实现激光倍频以来,非线性光学及相关晶体材料研究突飞猛进。但一直到20世纪80年代,非线性光学晶体的探索主要由欧美西方发达国家主导,一些代表性的非线性光学晶体如KN、铌酸锂(LiNbO3,简称LN)、钛酸钡、KTP、KDP等均由欧美国家发现。当时我国正处于特殊历史时期,但科学家们不甘落后,克服重重困难,为满足国家重大需求紧随国外研究步伐。随着BBO、LBO和KBBF等“中国牌”晶体的发明或发现,我国从跟随发达国家脚步到实现反超,最终引领世界非线性光学晶体发展,这其中老一辈科学家作出了巨大的贡献。目前实现了商业化的三大非线性光学晶体为BBO、LBO和KTP,其中BBO和LBO均为中国学者发明,KTP则由中国科研人员实现了商业化。沈先生作为重要的参与者,亲历了这个伟大的时代,并为“中国牌”晶体的发展作出了卓越贡献。

KN是20世纪60年代末被发现的一种新的非线性光学晶体,它的非线性光学性能、电光性能在氧化物晶体中名列前茅,虽然光损伤阈值不高,但非线性光学系数很大,非常适合毫瓦级低功率激光倍频,是当时唯一能将半导体激光直接倍频到蓝光的晶体,在光盘存储和彩色激光打印领域有巨大应用潜力。但受其本征结构限制,KN晶体生长过程中从高温到室温会经历两次相变,极易碎裂,西方国家虽研究多年,仍未获得具有实用价值的大尺寸晶体。

图2 铌酸钾晶体获得国家科技进步一等奖

沈先生对KN晶体产生兴趣始于20世纪70年代,对于这样“一块难啃的硬骨头”,沈先生誓言要攻克晶体生长难关。他以十年磨一剑的顽强精神,在设备简陋、实验室小、人员少的困难条件下,从设计生长炉开始,最终采用顶部籽晶法制备出大尺寸、高光学质量的KN单畴晶体,并攻克了极化和加工等一系列难题。此举使晶体院成为全球仅有的KN晶体供货商,为世界范围内的KN晶体研究提供了材料基础,该成果也获得了1988年国家科技进步一等奖(见图2)。当时正逢中国晶体发展辉煌时期,中国科学家取得的系列成就令世人瞩目,包括该晶体在内的系列非线性晶体被国际上誉为“中国牌”晶体。1985年瑞士苏黎世大学H·Arend教授访问晶体院时,面对KN晶体样品惊叹道:“没想到中国人能长出这么好的晶体!”。1986年4月,美国非线性光学领域的权威专家评价当时非线性光学晶体材料的优劣并作出发展规划,呼吁美国政府在十年内投入2 000～5 000万美元优先研制包括BBO、KN、KTP在内的五种非线性光学晶体。后来由于半导体存储的迅猛发展,将光盘存储远远抛在后面,加之KN晶体本身的一些短板,KN晶体终究没有获得大规模应用,但是沈先生生长KN晶体独创的顶部籽晶生长方法很快在KTP晶体生长研究中大放异彩。

KTP也是一种性能优良的非线性光学晶体。1971年,法国研究者发现了该晶体,随后美国杜邦公司采用水热法生长出该晶体并进行了倍频应用。但是由于水热法生长条件十分苛刻(约3 000个大气压和800 ℃,用作生长容器的高压釜容积内径小于40 mm),初期生长的晶体无论尺寸还是光学质量都不能令人满意,且售价极为昂贵。

1982年,天津大学姚建铨副教授(1997年当选中国科学院院士)结束在美国为期2年的访问学者后回国。应晶体院邀请,姚先生搭乘航班落地北京后造访了晶体院,介绍了他在美国使用的KTP晶体。据姚先生介绍,该晶体倍频转换效率比铌酸锂高得多,特别是光损伤阈值比铌酸锂高2个数量级,但是价格也相当昂贵,一块3 mm×3 mm×5 mm的KTP晶体器件售价高达2 750美元。而且由于KTP卓越的激光倍频性能和潜在的军用前景,美国政府还对我国实行严格的技术封锁和禁运。姚先生曾尝试买一块KTP晶体带回国内,但未得到允许。有一次姚先生的导师做实验时不慎将一块KTP晶体器件掉在实验台上打碎了,姚先生便请求带一块碎片回国,但遭到导师的坚决拒绝,称“KTP是美国军方资助的项目,对共产党国家禁运,碎片也不许带出实验室!”。作为激光技术专家,姚先生迫切希望晶体院能进行KTP晶体的生长,打破美国的封锁。

沈先生和同事们被姚先生的爱国热情深深感动,对美国的禁运政策十分愤慨,决心另辟蹊径生长KTP晶体。他们绕开了需要苛刻条件的水热法,在已有的KN晶体顶部籽晶法工艺及相关设备基础上进行革新,创造性地发展了一种特殊的顶部籽晶熔剂法。他们以只争朝夕的精神奋战在实验现场,不到半年时间就长出了尺寸25 mm×15 mm×10 mm的高光学质量KTP单晶,这也是国际上第一次用熔剂法生长出可用于实际倍频的KTP单晶。

相比水热法,顶部籽晶熔剂法生长的KTP晶体有独特的优点。首先,顶部籽晶熔剂法生长KTP晶体时,籽晶在生成态晶体的外部,因此长出的晶体为单畴结构,晶体利用率高。随着KTP晶体产业化技术的成熟,国内生产商几乎都改用顶部籽晶熔剂法生长KTP晶体。另外,顶部籽晶熔剂法生长的KTP晶体Z向截面比较大,有利于波导的制备和电光应用。1987年,发明KTP晶体的杜邦公司想开发KTP的波导应用,但又苦于水热法生长的KTP晶体尺寸太小,特别是不能得到Z向截面大的KTP晶片,于是在世界范围求购,最后选中了晶体院的KTP晶体。经有关部门审批,晶体院与杜邦公司签订了供货合同。从1988年至1996年,晶体院每年向杜邦公司提供价值10万美元的Z切KTP片,为我国赚取了大量外汇。

图3 电光晶体磷酸氧钛钾获得2002年 国家科技进步二等奖

晶体院KTP晶体也是制作周期性极化(PP)准位相匹配器件的优秀材料。顶部籽晶熔剂法生长KTP技术的成功使KTP走向商业化并大规模应用于中小功率激光变频(高功率激光变频是LBO),一块KTP变频器的单价从20世纪80年代的数千美元降至现在的十几美元乃至几美元,极大地促进了固体激光技术的发展。

要说明的是,早期的熔剂法KTP和水热法KTP晶体在电光性能和光损伤阈值方面还存在着差别。熔剂法KTP晶体的电导率为10-7Ω-1·cm-1量级,比水热法KTP晶体高3个数量级,故不能用作电光调制。“九五”期间,沈先生在“863”计划的资助下,成功将熔剂法KTP晶体的电导率降低了3个数量级,达到与水热法KTP晶体同等量级,成功用于我国某重大工程亚纳米脉冲的精密脉冲整形,该成果获得了国家科技进步二等奖(见图3)。由于沈先生在KTP晶体方面的贡献,对KTP极具感情的杜邦公司为沈先生和他的同事们颁发了杜邦科技创新奖(见图4)。

除了KN、KTP晶体外,沈先生对另一种重要的非线性光学晶体CLBO也有独到研究,并生长了世界上最大的CLBO晶体(见图5)。沈先生在这方面的技术淀积正惠及后人,在满足我国重大需求方面发挥了重要作用。

图4 2001年度杜邦科技创新奖颁奖大会

图5 沈德忠院士和他生长的CLBO晶体

二、崇高风范垂千古 严谨治学益后人

晶体生长是一门实验科学,基础理论固然不可缺少,但是动手能力也十分重要。沈先生深谙其中道理,因而勤于实践,始终不肯脱离科研第一线。得益于下放工厂劳动的经历,沈先生的钳工技术甚至让老钳工也惊叹不已。对于一些重要的实验,沈先生都坚持自己做,亲自称量配料、手工研磨、程序设定,甚至亲自安装晶体生长炉。对于年轻同志不能胜任的一些细致的技巧活,沈先生会亲自动手为年轻人做示范并手把手教学。

图6 沈先生提携后学(先生右手中是KTP晶体)

沈先生治学严谨,为人师表。先生经常要审阅大量的文稿或论文,他非常细心,不放过任何一个错误,小心求证每一个疑问。经沈先生改过的稿子,除对内容问题一一指出外,许多非科学性的语言和逻辑错误,甚至标点符号等问题都会一一更正或标示。他曾经痛心疾首地对我说,现在许多科研工作者缺乏严谨的治学态度,经常转引自己未经查实的文献而造成谬误,这对我国的科技事业非常有害。正因为此,沈先生对年轻同志要求非常严格。他认为,科研工作关键是要培养一个良好的学风,并代代相传。

每年毕业季,沈先生都会函评外单位博士论文。他习惯在每一个改动行的末尾用铅笔标记“Δ”符号,这个习惯延续到了我身上。2004年我调动到中国科学院理化技术研究所工作,这边的学生论文有很多送沈院士函评。论文返回后,学生们常常惊叹于沈院士修改论文的认真和细致,论文中密密麻麻的修改痕迹,乃至A4纸另附的修改说明,令学生钦佩和感动。

对于自己的文章,沈院士要求更加严格,甚至近于苛刻。在电脑及软件还未普及时,沈先生文章中的许多原始图片均由他本人亲自描绘,一笔一划无不倾注着他的心血。办公软件普及后,有些画图由我或者别的年轻同志代行。有一次沈先生请我为一篇科普报告绘制一幅激光倍频示意图,我将射入倍频晶体的基频光用红色光线表示,从晶体出来的倍频光用一条紫色光线表示,以此代表光的频率增加一倍,这也是大部分学者的常规做法。但是沈先生认为,基频光进入倍频晶体后是逐渐转变为倍频光的,所以紫色光线从淡到浓应有一个渐变的过程。组里的同志表示不解,质疑这些无关紧要的细节需要这么认真吗?沈院士的回答是肯定的:“要!只有在细节方面坚持认真二字,才可能创出一流成果。”做研究就是要一步一个脚印,虽然起步阶段可能慢一些,总体效果反而事半功倍。先生向来注重解决实际技术难题,他最爱问的一句话就是“你解决了什么关键技术问题?”,这在21世纪后我国高校兴起的SCI论文热中独树一帜。现在国家号召破“四唯”,不得不说,沈先生在这方面又走在了前面。

沈先生有很多业余爱好。他喜欢绘画、书法和古诗,会拉小提琴,歌也唱得非常好,特别喜欢苏联歌曲和民族歌曲,经常在单位文艺汇演中表演独唱。记得有一次在中铁十六局礼堂演唱《草原上升起不落的太阳》,沈先生一身正装,温文儒雅,颇具绅士风度,走上台来先弯腰向全场观众鞠躬行礼,立刻博得了满场掌声。等到他“蓝蓝的天上白云飘,白云下面马儿跑”洪亮的嗓音响彻大礼堂时,又是一阵掌声……

我因工作调动离开沈先生后,几乎每年春节都会去看望先生,每取得一点成绩,都会向先生汇报。我以为这样的场景会持续很久很久,未曾想沈先生会在他七十三岁那年匆匆离开我们。如今每每回忆起沈先生,他的音容笑貌仿佛就在眼前。沈先生把整个生命都献给了中国的晶体事业,他的精神和风范将成为后辈的宝贵财富,也将随着晶体事业的发展而永存。我们要学习沈先生热爱祖国、忠诚党的科学和教育事业的精神,学习沈先生自强不息、持之以恒的奋斗精神,学习沈先生胸怀坦荡、淡泊名利的优秀品格,学习沈先生严谨治学、提携后学的优良风范。

值“晶体院建院六十周年”之际,我怀着无比崇敬的心情写下此文,以此告慰沈先生在天之灵,缅怀先生为中国科学事业发展所做出的贡献,并将先生未尽的事业不断推向前进!