晶体人生丨黄朝恩:从研发到成果转化的非线性“晶”彩人生

陈建荣,张 杰,师瑞泽,石爽爽,杨志奇

(中材人工晶体研究院有限公司,北京 100018)

黄朝恩(1940—),教授级高工,享受首批国务院政府特殊津贴,斯坦福大学访问学者,澳大利亚西澳大学客座教授。1963年从武汉大学毕业,进入当时建筑材料工业部非金属矿研究所(现中材人工晶体研究院有限公司,以下简称晶体院)工作。作为访问学者赴美国斯坦福大学材料研究中心学习、交流,师从曾连续多年担任国际晶体生长学会主席的R.S.Feigeson教授。曾与美国、俄罗斯、以色列、德国、乌克兰、澳大利亚等国合作进行研发,相关晶体及产品在国际上得到广泛认可。先后主持国家项目数十项,致力于科研成果落地推广转化及应用,在非线性晶体、闪烁晶体的研发与生产方面取得丰硕成果;在国际上最早利用“有限元”晶体生长模型控制和改善晶体生长,获晶体领域广泛认可。是“有突出贡献的回国留学人员”、全国行业劳动模范,曾任中国共产党第十四次全国代表大会代表,获国家科技进步一等奖、建材行业部级科技进步一等奖和杜邦科技创新奖等多项奖励。

问:您作为我国人工晶体领域的顶尖专家,从大学毕业进入晶体院从事人工晶体生长和研究开发工作50余年,获得晶体界诸多荣誉,也获得过“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章、“有突出贡献的回国留学人员”等荣誉,把毕生精力奉献给了人工晶体事业,为非线性晶体行业的发展作出了杰出贡献。听说您的英语和俄语水平都不错,请谈谈您的学习成长经历。最初您在晶体院是做云母的,后来为何转向并坚定从事非线性晶体这个行业的呢?获得关键研发突破的契机是什么?

答:我1940年出生于广东,1958年考入武汉大学化学系,努力学习专业知识的同时刻苦学习俄语,这使我很快就能顺畅地阅读俄文专业文献,大学时期便可以在不使用词典的情况下阅读《真理报》《消息报》等苏联报刊。后来我逐渐意识到,英语是了解外面世界更好的工具,恰好当时有一名非常要好的老乡是武汉大学英语系学生,于是我便抓住机会,在课余时间拜这位同学为师,自学了英语,大学毕业时已经有了较好的英语基础。

1963年,我从武汉大学化学系毕业分配到建筑材料工业部非金属矿研究所,后更名为国家建材局人工晶体研究所,现为中材人工晶体研究院。刚参加工作不久,我就翻译了一册俄文和两册英文专业书籍。1978年,改革开放拉开了中国第三次留学潮的序幕,我因英语成绩突出,被直接推荐参加建材部在北京管庄举办的英语培训班,后又被派往中山大学广州英语培训中心(GELC)全脱产学习英语一年。1981年初,晶体院派我以访问学者的身份出国学习,我收到了美国几所大学的邀请,最终选择了斯坦福材料研究中心(CMR)。斯坦福是全球一流大学,且研究方向与我的专业非常对口,我的导师R.S.Feigelson教授曾连续多年任职国际晶体生长学会主席。

较好的外文基础,使我在国门紧闭的年代,推开了一扇面向世界的窗户,了解了外面世界的科技动态,并对我选择研究领域和规划人生起到了重要的作用。

进入晶体行业具有偶然性,我大学学习的是有机化学,与无机晶体材料联系不太大,但能够对社会有用是我追求的目标。我大学毕业实习是在上海有机化学所,当时科研人员正在进行合成牛胰岛素的项目。牛胰岛素由两百多个氨基酸组成,需要把各个氨基酸连接起来,空间结构和顺序需与天然的一样。任务分成两链,上海和北京各做一百多个氨基酸。从实习经历中,我学到了科研团队的组织、配合,以及科研项目的研究、选题、组织攻关等方法,对之后的工作起到很大的作用。

来到晶体院后我最先从事的是天然云母制作云母绝缘纸,后来是人工合成云母,这可以算是从事晶体研究的开端,再后来就转到非线性晶体研究上了,这是一个很自然的过渡。

我始终觉得研发的东西一定要对社会有用,这是每一位科技工作者都应秉持的信念。当时国际上有很多科研团队在开展非线性晶体的研究工作,比如美国杜邦公司,他们用水热法生长KTP并已取得一定成果,于是我们将熔盐法KTP晶体生长作为研究目标并努力实现实用化。

晶体院作为工业研究所,不能只搞理论工作,更重要的是将理论应用到实践,并最终实现科研成果实用化,把握住这一点,就能够想出突破点把事情做好。

问:20世纪80年代初,世界各国加快了对人工晶体的研究与开发进程,您作为访问学者从美国斯坦福大学载誉归来,开始了助熔剂法非线性晶体KTP、LBO晶体及坩埚下降法氟化物单晶的生长,可以分享您的经历吗?您特别重视对年轻人的培养,利用自己的渠道推荐许多年轻科技工作者到国外进行学习和交流,对此您是怎么考虑的?

答:科技进步是人类智慧的结晶,科学研究从来不是某个国家单独的事情,我们不能跟国外隔离开,要参与到国际研究与交流中去,这样才能取得更大进步。经我送到国外去学习的年轻科技工作者不少,我认为这是非常自然的结果。

我很重视这种交流,在斯坦福时我的工作之一是利用激光加热晶体纤维生长装置对人工晶体进行性能鉴定,快速发现其中有用的新晶体,同时我也在斯坦福计算中心做一些研究工作。不去斯坦福我根本不知道计算中心是什么样子,(当然)那时的计算中心现在看也不算什么,计算机是电子管的,一台就占几间实验室,在美国也只有几台,其他大学都还没有,更别提国内了。利用计算机进行数值模拟并应用到晶体生长中,如何保持界面稳定及合理,减少应力,以长出更好的晶体,没经过计算中心的工作是不知道的。

我利用“有限元”方法建立了晶体生长热分布及应力分布的数学模型,研究了晶体生长界面及应力大小的分布与边界条件的关系。如果没有交流,这些内容单靠想是想不出来的。计算中心本不在我学习的范围内,只是听说有机会,可以去看一看就连CMR的导师都没有用过的计算中心。我充分利用计算机助力自己的研究,自学了“有限元”方法,结合热传导和应力成因的原理,建立了晶体生长热分布及应力分布的数学模型,用来研究晶体生长界面及应力大小的分布与边界条件的关系,为控制和改善晶体生长条件提供帮助。研究成果写成了三篇论文发表在JournalofCrystalGrowth等期刊,导师为此非常高兴,我在斯坦福访学期间发表了多篇文章,但这三篇他们最为看重。通过计算改善晶体生长条件,优化晶体质量,这种理论指导对他(导师)而言非常重要,而且这些工作他没做过,所以一直到现在我们都保持良好通信,经常交流。

后来R.S.Feigelson教授来到中国,到山东大学、中国科学院福建物质结构研究所、南京大学、晶体院交流讲课,一套幻灯片到处讲,我陪同并当翻译,讲了几次后他开玩笑说,黄,你是我的引路人,你上去讲就行,可见我跟他关系处得很好。

我觉得与国外沟通非常重要,当时咱们采用熔盐法生长KTP,而美国杜邦公司采用水热法生长。如今KTP晶体生长得不错,(得益于)控温条件很好。而在那个年代,买温控表都很困难,(即使买到了)还不是自动恒温的。我主动联系了杜邦公司,向他们介绍我们晶体生长的情况和结果,交流的结果是他们觉得熔盐法并不比水热法差,愿意无偿资助十万美元给我们做研究,相当于差不多一百万人民币。我当时拿到的国家项目经费是二十五万元,(在当时)就已不算少。面对一百万元(十万美元)巨额资金,领导担心有陷阱,最终考虑了一天才签字同意。

到国外去学习考察也很重要,我和德国汉诺威大学、瑞典皇家理工学院、澳大利亚西澳大学、美国多家公司和大学、以色列的公司都有比较密切的联系。以色列的公司先后三次派专人来参观KTP晶体生产线,他们产品的成功离不开我们研究所的技术支持。用产品跟国外直接交流,从而了解需求适应需求,不断提高晶体质量,形成良性循环,产品越做越好,客户也成为在PPKTP领域独树一帜的公司。

俗话说“礼尚往来”,我们到国外去学习,同时邀请国外专家学者来国内访问,通过交流开阔眼界,探讨发展方向,这对如何选题、发现新晶体都很有帮助。总之,学习和研究要有计划、有想法,才能尽快突破,加快研发进程。

问:您在共事的中青年科技工作者中威信很高,请问您是如何与他们建立感情和培养他们的?

答:20世纪80年代,晶体院已是全国百强科研院所中一颗璀璨的明珠。1990年前后,分别有中国科学院福建物质结构研究所、南京大学、清华大学、中国科技大学、山东大学等一批高校学子慕名而来。

我看到每一位学子都十分亲切,因为他们不仅名校毕业,聪明能干,而且有事业心,想干事,是晶体院的未来,精心培养他们无疑是我神圣的责任。

经过几年的培养和磨炼,他们都成为了晶体院公认的“小专家”。我总是鼓励和创造条件让这批“小专家”积极向国际学术会议投递论文,参与国际交流,这不仅有利于他们开阔眼界增长知识,更有利于我们培养国际化人才。我还帮他们积极联系出国进修,如20世纪90年代初,经我联系,晶体院与澳大利亚建立了科技合作项目,我分别推荐了方珍意、闫泽武等青年科技人员赴澳大利亚进修,为他们成为国际化人才奠定了基础。

在科研上如果遇到分歧,我从不以领导的身份压制他们,而是尊重他们的见解,鼓励他们勇提建议,我以科学的理论和实验的结果引导他们,共同探讨,达成共识。

如今,这批“小专家”在各自的领域中大都成为了领军人物,但他们永远把晶体院当作自己的家,还常回家看望我,畅谈彼此间的思念和近期的工作收获,回顾当年一起拼搏的激情岁月。特别是我80岁生日那天,他们为我举办了生日庆祝会,这胜似家人的师徒情让我感动万分!

看着他们的进步,我十分欣慰,我衷心祝愿当年的“小专家”们,再接再厉,都成为国家的栋梁之材,实现他们心中的梦想!

问:除了从事非线性晶体研发,您还进行了成果转化,创办了特晶厂,后来又把闪烁晶体推向全世界。晶体院转为企业以后国家也要求做好成果转化,尤其是对于工业性的研究所,成果转化的节奏越来越快,您当时是怎么考虑的,可以分享经验吗?

答:20世纪90年代初,晶体院成立了以非线性光学晶体KTP为拳头产品的特晶厂,由我担任总经理。我和我的团队边搞科研边抓生产,以科研促生产,以生产推科研,形成优势互补、良性循环,让公司不仅成为了晶体院创收的主要实体,也为国家创汇做出了积极的贡献,探索出了一条科技成果转化为生产力的成功赛道,被《科技日报》等新闻媒体报道。

1993年2月,时任国务院总理李鹏邀请科技界10名代表在中南海举行座谈,听取他们对《政府工作报告》(科技部分)的建议和意见,晶体院所长应邀参加座谈会并重点汇报了我们团队“以科研促生产,以生产推科研,将科技成果转化为生产力”的创新经验。同年3月,晶体院获得对外经营权,是对外经济贸易部授予的首批百强创汇科研院所之一。

我当时的想法比较单纯,只一心想把科研生产工作做好,多给国家做贡献。那个年代出国,多数人都不回来,我选择回来,别人觉得不可思议,国外随便就能找月薪两三千美元的工作,回来一个月百八十块人民币。我的观念里学习完了就应该回来,抓住机会努力为单位、为国家做出贡献,没有这种信念和努力,想要创造好的效益就很难。在此信念支撑下,特晶厂规模越来越大,成为了晶体院创收的主要实体。

研究单位成果转化既要考虑规模,又要考虑利润率,得研判趋势,抓住重点,判断哪些值得下苦功夫。非线性晶体种类非常多,结合当时国际非线性晶体研究趋势和晶体院的科研条件,我们只选择了KTP和LBO晶体,体现了有所为有所不为。

今天我看到的非线性晶体发展的情况比我那时要好得多,在军工、测距、量子通信甚至获得诺贝尔奖的阿秒激光上都有应用。要拓宽市场,就需要了解更多需求,市场和研发要互相促进,最好是相关人员在晶体生长和销售方面都有发言权,或者协调关系,互相通气,科技领域这种机制没有建立起来就有可能要落后。

问:中国在非线性晶体生长、研究和市场经营方面依然占据着重要地位,但随着半导体激光器快速发展,以KTP为变频器件的红绿光激光器部分被取代。您对此怎么看?

答:技术发展的车轮在不断向前滚动,我们必须支持和适应技术发展的趋势。KTP晶体倍频应用的激光器被半导体激光器取代是不可避免的。二极管本身就能发绿光,简单又省钱,效率还高,非线性晶体却需要先有红外激光再进行倍频,且倍频角度温度更敏感,而半导体可以直接出光,简单快捷。正如以前KTP取代尿素,如今KTP被取代也在情理之中。如果不能在量子效应、电光效应等方面有新的有前景的用途的话,可能这个产品就消失了。你不能跟它作对,和技术进步作对是没用的,要顺应科学发展的规律和趋势,不应该墨守成规。

问:随着中国科技力量不断发展壮大,许多高学历、高技术人才投身到我国晶体事业中。作为行业先驱、非线性晶体开拓者,您有什么指导、建议或期望?

答:长晶体要耐得住寂寞,也需要有远见和判断。这个行业表面上看比较乏味,缺少激情,往往要踏踏实实、默默无闻工作多年才能见成效。

长晶体普遍周期比较长,影响因素很多,比如温度、温度分布,还有温梯大小等。温度梯度对,温度高了长不好;温度对,温梯不对长不好;温度、温梯都对,降温速度不对长不好。影响因素太多,很可能一年两年都白干了,但是自暴自弃那是不行的。虽然白干对人的打击很大,可是要知道这是正常的,还是要努力坚持下去。研发新的晶体这种情况时常会发生,新生代要有思想准备,耐不住寂寞不适合干这行。

我国科技力量正在不断发展壮大,有许多高学历、高技术人才已经投身到了晶体事业发展中,他们具备高的科学素养、扎实的专业知识,如果能理论结合实践,注重基础实验,沉得住气,耐得住寂寞,我相信他们定能担负起科技发展重担,为国家发展做贡献。

问:随着科学技术的发展,新的晶体不断出现,表征手段和技术有很大的进步。以非线性为例,国内多家研究机构从结构化学离子基团角度设计计算非线性、折射率、透过宽度,合成了上百种硼酸盐紫外、深紫外的非线性晶体,体系也都比较复杂,性能参数也不错,国家和行业投入很大,一些突破性的成果也获得了不少奖项,但到目前还没有一个在工业领域获得成功,性能不如KTP、LBO、BBO等传统非线性晶体,您觉得原因是什么?我们应该如何走出这个困境?

答:这个问题很难回答,做研究工作,不是做了就一定能够成功,得有个过程,还需要一些运气。注意新的苗头,提升知识水平和敏感度,研判趋势,有前途的项目加入开始做,肩并肩走,还是有机会成功的,不能够忽视,也不要全心全意跟在后面走,会走很多弯路。

举个例子,LBO晶体是陈创天团队发明的,阴离子基团理论推测其可能是性能优异的非线性晶体。当时我们就接受了这种论点,很快就长得比他(陈创天)的还要大。后来“863”争项目,陈创天讲阴离子基团理论,三年晶体尺寸目标,既有理论又有测试,有绝对优势。讲完后我上去讲,我说陈教授准备三年长到2 cm×2 cm×3 cm,我也注意到这个晶体,已经长成4 cm×4 cm×6 cm,而且是全透明的,评委看了一下子就“目瞪口呆”了,新晶体怎么就能比发明人还长得好,所以我们也拿到了项目,后来长得也不错。从另外一个角度去做,促进技术共同进步,也是给国家做贡献。

对于新晶体的研发,有精力有条件的话应想办法加入研发行列,但不能单纯地照搬照做,优选题目尝试性研发。某些研究型的单位发表文章,以文章的数量和发表刊物衡量水平,在实用性的应用研究所里是走不通的,必须以创造经济效益为主,能发文章就更好了,锦上添花。

问:今年正值晶体院建院六十周年,您经历了晶体院的诞生与发展,您对晶体院有什么建议,有哪些话想说?

答:我是1963年进院的,六十年前,晶体院只有一栋办公楼,办公、科研、住宿都在这栋大楼里,另外就是一栋在建的四层宿舍楼,晶体院的四周是用铁丝网围成的,周边是一片片农田,方圆十几千米没有一栋二层建筑。中国的人工晶体研究从此在这里起航,经过几代晶体人的奋力与拼搏,如今晶体院的科研条件得到了很大的改善,仅晶体院家属区就建起了11栋大楼。我是晶体院六十年变迁的见证者,深深地爱着晶体院的一草一木,这里有几代晶体人奋斗的足迹和光辉的历程!

随着社会的进步和时代的发展,晶体院也面临着新的挑战!正如院庆标语“六十载薪火相传初心不改,一甲子踔厉奋斗春华秋实”所言,我衷心祝愿晶体院开辟新天地,再创辉煌!

采访编委:陈建荣(1973—),教授级高工,兼任《人工晶体学报》编委、全国人工晶体标准化委员会秘书长,作为项目/课题负责人承担科技部、国防科工局、国家发改委和北京市、中关村等科研与产业化项目30多项。获中国建材集团科技进步奖二等奖、国资委关键核心技术攻关“突出贡献个人”荣誉。

序言：

金刚石被誉为“终极材料”,在过去几十年中对我国的工业技术发展起到了不可磨灭的作用,未来在电学、光学、热学、声学等诸多功能性金刚石领域有巨大发展潜力及前景。六十年来,中材人工晶体研究院有限公司(简称晶体院)在金刚石制备与应用方面做了大量的有益探索与开创性工作,彰显了晶体院极强的创新能力和产业转化能力。

衷心希望晶体院在之后的科研及产业道路上紧跟国内外技术前沿,提高装备水平,继续创造在金刚石制备与应用技术研发和产业的辉煌,为我国金刚石材料的发展贡献力量。

——候 立