高山仰止,景行行止
——緬懷沈德忠先生

王曉洋

(中國科學院理化技術研究所,北京 100190)

圖1 沈德忠院士(1940—2014)

時光飛逝,一轉眼,尊敬的沈德忠先生已經離開我們近十年了。

認識沈先生是在1990年,那一年我大學畢業(yè),分配到國家建筑材料工業(yè)局人工晶體研究所(現(xiàn)為中材人工晶體研究院有限公司,以下簡稱晶體院)。當時盛傳建材系統(tǒng)有四大專家,晶體院獨占兩位,其中一位就是沈德忠先生,所里同事尊稱他為“沈專”,當然,1995年沈先生當選中國工程院院士后,尊稱也相應改為“沈院士”或“院士”。我于1998年應沈先生邀約做了他的副手,從此開始了在先生手下的七年科研生涯。應該說這七年是我人生收獲最豐富的一段時光,從先生那里我學到了很多,包括學術、科研、做人的道理……。在此謹從我個人角度,回顧先生的工作和成就,以及與先生在一起的學習和生活,借此緬懷沈先生。

一、矢志不渝謀報國,育晶終生譜華章

沈先生于1964年9月畢業(yè)于四川大學物理系固體物理專業(yè),扎實的理論功底以及善于思考和勤于動手,使他在科研工作中得心應手。沈先生先后對鹵化物、鈮酸鹽、磷酸鹽和硼酸鹽等十多種晶體及其在光學、激光、非線性光學、光折變等領域的應用進行過研究,掌握了助熔劑法、提拉法、坩堝下降法、高頻冷坩堝法和水熱法等多種晶體生長技術。他先后生長出鈮酸鉀(KNbO3,簡稱KN)、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4,簡稱KTP)等十多種晶體。成功地解決KN晶體生長過程中的賦色、開裂以及晶體應用過程中的定向、極化等系列難題,研制出大尺寸高光學質量的單疇KN單晶,使該晶體的實際應用和批量生產成為可能;首次在摻鐵KN單晶上實現(xiàn)了室溫自泵浦相位共軛;首次用改進的助熔劑法成功研制出大塊高光學質量的KTP單晶,不但打破了美國對該晶體的壟斷和對我國的禁運,而且還實現(xiàn)了該晶體的批量生產和對外出口,取得了顯著的效益。

自從1960年人類實現(xiàn)第一束激光,繼而于次年實現(xiàn)激光倍頻以來,非線性光學及相關晶體材料研究突飛猛進。但一直到20世紀80年代,非線性光學晶體的探索主要由歐美西方發(fā)達國家主導,一些代表性的非線性光學晶體如KN、鈮酸鋰(LiNbO3,簡稱LN)、鈦酸鋇、KTP、KDP等均由歐美國家發(fā)現(xiàn)。當時我國正處于特殊歷史時期,但科學家們不甘落后,克服重重困難,為滿足國家重大需求緊隨國外研究步伐。隨著BBO、LBO和KBBF等“中國牌”晶體的發(fā)明或發(fā)現(xiàn),我國從跟隨發(fā)達國家腳步到實現(xiàn)反超,最終引領世界非線性光學晶體發(fā)展,這其中老一輩科學家作出了巨大的貢獻。目前實現(xiàn)了商業(yè)化的三大非線性光學晶體為BBO、LBO和KTP,其中BBO和LBO均為中國學者發(fā)明,KTP則由中國科研人員實現(xiàn)了商業(yè)化。沈先生作為重要的參與者,親歷了這個偉大的時代,并為“中國牌”晶體的發(fā)展作出了卓越貢獻。

KN是20世紀60年代末被發(fā)現(xiàn)的一種新的非線性光學晶體,它的非線性光學性能、電光性能在氧化物晶體中名列前茅,雖然光損傷閾值不高,但非線性光學系數(shù)很大,非常適合毫瓦級低功率激光倍頻,是當時唯一能將半導體激光直接倍頻到藍光的晶體,在光盤存儲和彩色激光打印領域有巨大應用潛力。但受其本征結構限制,KN晶體生長過程中從高溫到室溫會經歷兩次相變,極易碎裂,西方國家雖研究多年,仍未獲得具有實用價值的大尺寸晶體。

圖2 鈮酸鉀晶體獲得國家科技進步一等獎

沈先生對KN晶體產生興趣始于20世紀70年代,對于這樣“一塊難啃的硬骨頭”,沈先生誓言要攻克晶體生長難關。他以十年磨一劍的頑強精神,在設備簡陋、實驗室小、人員少的困難條件下,從設計生長爐開始,最終采用頂部籽晶法制備出大尺寸、高光學質量的KN單疇晶體,并攻克了極化和加工等一系列難題。此舉使晶體院成為全球僅有的KN晶體供貨商,為世界范圍內的KN晶體研究提供了材料基礎,該成果也獲得了1988年國家科技進步一等獎(見圖2)。當時正逢中國晶體發(fā)展輝煌時期,中國科學家取得的系列成就令世人矚目,包括該晶體在內的系列非線性晶體被國際上譽為“中國牌”晶體。1985年瑞士蘇黎世大學H·Arend教授訪問晶體院時,面對KN晶體樣品驚嘆道:“沒想到中國人能長出這么好的晶體!”。1986年4月,美國非線性光學領域的權威專家評價當時非線性光學晶體材料的優(yōu)劣并作出發(fā)展規(guī)劃,呼吁美國政府在十年內投入2 000～5 000萬美元優(yōu)先研制包括BBO、KN、KTP在內的五種非線性光學晶體。后來由于半導體存儲的迅猛發(fā)展,將光盤存儲遠遠拋在后面,加之KN晶體本身的一些短板,KN晶體終究沒有獲得大規(guī)模應用,但是沈先生生長KN晶體獨創(chuàng)的頂部籽晶生長方法很快在KTP晶體生長研究中大放異彩。

KTP也是一種性能優(yōu)良的非線性光學晶體。1971年,法國研究者發(fā)現(xiàn)了該晶體,隨后美國杜邦公司采用水熱法生長出該晶體并進行了倍頻應用。但是由于水熱法生長條件十分苛刻(約3 000個大氣壓和800 ℃,用作生長容器的高壓釜容積內徑小于40 mm),初期生長的晶體無論尺寸還是光學質量都不能令人滿意,且售價極為昂貴。

1982年,天津大學姚建銓副教授(1997年當選中國科學院院士)結束在美國為期2年的訪問學者后回國。應晶體院邀請,姚先生搭乘航班落地北京后造訪了晶體院,介紹了他在美國使用的KTP晶體。據(jù)姚先生介紹,該晶體倍頻轉換效率比鈮酸鋰高得多,特別是光損傷閾值比鈮酸鋰高2個數(shù)量級,但是價格也相當昂貴,一塊3 mm×3 mm×5 mm的KTP晶體器件售價高達2 750美元。而且由于KTP卓越的激光倍頻性能和潛在的軍用前景,美國政府還對我國實行嚴格的技術封鎖和禁運。姚先生曾嘗試買一塊KTP晶體帶回國內,但未得到允許。有一次姚先生的導師做實驗時不慎將一塊KTP晶體器件掉在實驗臺上打碎了,姚先生便請求帶一塊碎片回國,但遭到導師的堅決拒絕,稱“KTP是美國軍方資助的項目,對共產黨國家禁運,碎片也不許帶出實驗室!”。作為激光技術專家,姚先生迫切希望晶體院能進行KTP晶體的生長,打破美國的封鎖。

沈先生和同事們被姚先生的愛國熱情深深感動,對美國的禁運政策十分憤慨,決心另辟蹊徑生長KTP晶體。他們繞開了需要苛刻條件的水熱法,在已有的KN晶體頂部籽晶法工藝及相關設備基礎上進行革新,創(chuàng)造性地發(fā)展了一種特殊的頂部籽晶熔劑法。他們以只爭朝夕的精神奮戰(zhàn)在實驗現(xiàn)場,不到半年時間就長出了尺寸25 mm×15 mm×10 mm的高光學質量KTP單晶,這也是國際上第一次用熔劑法生長出可用于實際倍頻的KTP單晶。

相比水熱法,頂部籽晶熔劑法生長的KTP晶體有獨特的優(yōu)點。首先,頂部籽晶熔劑法生長KTP晶體時,籽晶在生成態(tài)晶體的外部,因此長出的晶體為單疇結構,晶體利用率高。隨著KTP晶體產業(yè)化技術的成熟,國內生產商幾乎都改用頂部籽晶熔劑法生長KTP晶體。另外,頂部籽晶熔劑法生長的KTP晶體Z向截面比較大,有利于波導的制備和電光應用。1987年,發(fā)明KTP晶體的杜邦公司想開發(fā)KTP的波導應用,但又苦于水熱法生長的KTP晶體尺寸太小,特別是不能得到Z向截面大的KTP晶片,于是在世界范圍求購,最后選中了晶體院的KTP晶體。經有關部門審批,晶體院與杜邦公司簽訂了供貨合同。從1988年至1996年,晶體院每年向杜邦公司提供價值10萬美元的Z切KTP片,為我國賺取了大量外匯。

圖3 電光晶體磷酸氧鈦鉀獲得2002年 國家科技進步二等獎

晶體院KTP晶體也是制作周期性極化(PP)準位相匹配器件的優(yōu)秀材料。頂部籽晶熔劑法生長KTP技術的成功使KTP走向商業(yè)化并大規(guī)模應用于中小功率激光變頻(高功率激光變頻是LBO),一塊KTP變頻器的單價從20世紀80年代的數(shù)千美元降至現(xiàn)在的十幾美元乃至幾美元,極大地促進了固體激光技術的發(fā)展。

要說明的是,早期的熔劑法KTP和水熱法KTP晶體在電光性能和光損傷閾值方面還存在著差別。熔劑法KTP晶體的電導率為10-7Ω-1·cm-1量級,比水熱法KTP晶體高3個數(shù)量級,故不能用作電光調制?！熬盼濉逼陂g,沈先生在“863”計劃的資助下,成功將熔劑法KTP晶體的電導率降低了3個數(shù)量級,達到與水熱法KTP晶體同等量級,成功用于我國某重大工程亞納米脈沖的精密脈沖整形,該成果獲得了國家科技進步二等獎(見圖3)。由于沈先生在KTP晶體方面的貢獻,對KTP極具感情的杜邦公司為沈先生和他的同事們頒發(fā)了杜邦科技創(chuàng)新獎(見圖4)。

除了KN、KTP晶體外,沈先生對另一種重要的非線性光學晶體CLBO也有獨到研究,并生長了世界上最大的CLBO晶體(見圖5)。沈先生在這方面的技術淀積正惠及后人,在滿足我國重大需求方面發(fā)揮了重要作用。

圖4 2001年度杜邦科技創(chuàng)新獎頒獎大會

圖5 沈德忠院士和他生長的CLBO晶體

二、崇高風范垂千古 嚴謹治學益后人

晶體生長是一門實驗科學,基礎理論固然不可缺少,但是動手能力也十分重要。沈先生深諳其中道理,因而勤于實踐,始終不肯脫離科研第一線。得益于下放工廠勞動的經歷,沈先生的鉗工技術甚至讓老鉗工也驚嘆不已。對于一些重要的實驗,沈先生都堅持自己做,親自稱量配料、手工研磨、程序設定,甚至親自安裝晶體生長爐。對于年輕同志不能勝任的一些細致的技巧活,沈先生會親自動手為年輕人做示范并手把手教學。

圖6 沈先生提攜后學(先生右手中是KTP晶體)

沈先生治學嚴謹,為人師表。先生經常要審閱大量的文稿或論文,他非常細心,不放過任何一個錯誤,小心求證每一個疑問。經沈先生改過的稿子,除對內容問題一一指出外,許多非科學性的語言和邏輯錯誤,甚至標點符號等問題都會一一更正或標示。他曾經痛心疾首地對我說,現(xiàn)在許多科研工作者缺乏嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度,經常轉引自己未經查實的文獻而造成謬誤,這對我國的科技事業(yè)非常有害。正因為此,沈先生對年輕同志要求非常嚴格。他認為,科研工作關鍵是要培養(yǎng)一個良好的學風,并代代相傳。

每年畢業(yè)季,沈先生都會函評外單位博士論文。他習慣在每一個改動行的末尾用鉛筆標記“Δ”符號,這個習慣延續(xù)到了我身上。2004年我調動到中國科學院理化技術研究所工作,這邊的學生論文有很多送沈院士函評。論文返回后,學生們常常驚嘆于沈院士修改論文的認真和細致,論文中密密麻麻的修改痕跡,乃至A4紙另附的修改說明,令學生欽佩和感動。

對于自己的文章,沈院士要求更加嚴格,甚至近于苛刻。在電腦及軟件還未普及時,沈先生文章中的許多原始圖片均由他本人親自描繪,一筆一劃無不傾注著他的心血。辦公軟件普及后,有些畫圖由我或者別的年輕同志代行。有一次沈先生請我為一篇科普報告繪制一幅激光倍頻示意圖,我將射入倍頻晶體的基頻光用紅色光線表示,從晶體出來的倍頻光用一條紫色光線表示,以此代表光的頻率增加一倍,這也是大部分學者的常規(guī)做法。但是沈先生認為,基頻光進入倍頻晶體后是逐漸轉變?yōu)楸额l光的,所以紫色光線從淡到濃應有一個漸變的過程。組里的同志表示不解,質疑這些無關緊要的細節(jié)需要這么認真嗎?沈院士的回答是肯定的:“要!只有在細節(jié)方面堅持認真二字,才可能創(chuàng)出一流成果?！弊鲅芯烤褪且徊揭粋€腳印,雖然起步階段可能慢一些,總體效果反而事半功倍。先生向來注重解決實際技術難題,他最愛問的一句話就是“你解決了什么關鍵技術問題?”,這在21世紀后我國高校興起的SCI論文熱中獨樹一幟?，F(xiàn)在國家號召破“四唯”,不得不說,沈先生在這方面又走在了前面。

沈先生有很多業(yè)余愛好。他喜歡繪畫、書法和古詩,會拉小提琴,歌也唱得非常好,特別喜歡蘇聯(lián)歌曲和民族歌曲,經常在單位文藝匯演中表演獨唱。記得有一次在中鐵十六局禮堂演唱《草原上升起不落的太陽》,沈先生一身正裝,溫文儒雅,頗具紳士風度,走上臺來先彎腰向全場觀眾鞠躬行禮,立刻博得了滿場掌聲。等到他“藍藍的天上白云飄,白云下面馬兒跑”洪亮的嗓音響徹大禮堂時,又是一陣掌聲……

我因工作調動離開沈先生后,幾乎每年春節(jié)都會去看望先生,每取得一點成績,都會向先生匯報。我以為這樣的場景會持續(xù)很久很久,未曾想沈先生會在他七十三歲那年匆匆離開我們。如今每每回憶起沈先生,他的音容笑貌仿佛就在眼前。沈先生把整個生命都獻給了中國的晶體事業(yè),他的精神和風范將成為后輩的寶貴財富,也將隨著晶體事業(yè)的發(fā)展而永存。我們要學習沈先生熱愛祖國、忠誠黨的科學和教育事業(yè)的精神,學習沈先生自強不息、持之以恒的奮斗精神,學習沈先生胸懷坦蕩、淡泊名利的優(yōu)秀品格,學習沈先生嚴謹治學、提攜后學的優(yōu)良風范。

值“晶體院建院六十周年”之際,我懷著無比崇敬的心情寫下此文,以此告慰沈先生在天之靈,緬懷先生為中國科學事業(yè)發(fā)展所做出的貢獻,并將先生未盡的事業(yè)不斷推向前進!