探索硼酸鹽非線性光學晶體的艱難歷程

2021-01-09 OFweek維科網

  1 我與非線性光學晶體的結緣過程

  1962年夏季,陳創天院士從北京大學物理系畢業,被分配到福州的中國科學院華東物質結構研究所,專門從事物質的微觀結構(原子,分子層次)和宏觀性能之間的相互關係方面的研究。所內只有一名教授,就是後來成為中國科學院院長的盧嘉錫教授,還有2~3名助理研究員,其餘就是來自五湖四海的年輕的大學畢業生。由於陳創天是學理論物理的,但該研究所屬化學類型研究所,因此陳創天的知識結構必須「化學化」,才能做出成績來。於是從1962年11月到1965年上半年,陳創天整整花了三年時間,學習有關理論化學方面的知識,例如結構化學、量子化學、X射線晶體學、群表示理論在化學中的應用等。由於研究所初建,加上我國三年困難時期剛過,研究所的大部分設備都未到位,因此分配給陳創天的實驗工作,極其有限,使陳創天在這三年中,享受了大部分自由時間,學習各種基礎知識,從而為以後的研究工作打下了堅實的物理、化學方面的基礎。

  從1965年開始,隨著國家經濟形勢的好轉,研究所的科研設備也開始陸續到位,於是盧嘉錫教授開始要求陳創天確定研究課題。當時的物構所,主要有兩個研究方向,一個是結構化學,另一個是晶體材料。由於陳創天來自北京大學物理系,選題很自然看中單晶材料的結構與性能相互關係的研究。當時的物構所單晶材料有兩類:一類是雷射基質晶體,例如Nd∶YAG單晶生長;另一類就是非線性光學晶體,例如水溶液生長的KDP(KH2PO4),ADP(NH4H2PO4)等。對於選擇何種晶體作為研究的突破口,陳創天做了認真地分析,從大量文獻閱讀中了解到,摻雜型雷射基質晶體的雷射性質,例如發光截面、螢光壽命等,大部分決定於摻雜離子的激發態性質,它們基本上和基質晶體的結構關係不大,因此很難從基質晶體的電子結構計算中進行評估,從而需要大量實驗測量,這在當時的物構所是沒有條件的。

  反觀非線性光學晶體,它們的宏觀性能,如倍頻係數、雙折射率等決定於單晶的基本結構,確定單晶的空間結構是當時物構所的強項,因為盧嘉錫教授本身就是結構化學專家,當時國內最好的X射線單晶結構測定設備之一也在物構所。而陳創天本身,具有理論物理專業背景,加上三年理論化學方面的學習,從事單晶電子結構計算是強項。於是在1965年下半年,經過半年多的調研和思考,陳創天向盧嘉錫教授闡述了他的選題:非線性光學晶體的宏觀性能和微觀結構之間的相互關係研究,並很快得到了盧嘉錫的肯定。                                                                                                      

  當陳創天認真思考如何使用量子化學局域化軌道理論方法(在當時的條件下,沒有計算設備可從事晶格能帶理論計算)計算晶體的倍頻係數時,文革開始了,所內科研秩序完全打亂,很多實驗工作被迫停頓。幸運的是,盧嘉錫教授屬中央保護對象,很快受到省軍區保護,因而文化大革命也沒有衝擊到他們這一批年輕人。由於陳創天是做理論計算的,雖然實驗室被封閉,但他可以把僅有的一臺手搖計算器搬到家中,開始了每天12個小時的計算工作。就這樣,他整整花了一年的時間,靠一臺手搖計算器,完成了空間結構非常簡單的BaTiO3晶體的倍頻和電光係數計算,結果還是很不錯的。然而在當時的情況下,結果出來後既不能討論,也不能發表。在BaTiO3晶體倍頻係數計算的基礎上,他進一步使用群表示理論的方法,計算出LiNbO3,KNbO3,Ba2NaNb5O15(簡稱BNN)等晶體的倍頻係數,不久又完成了αLiIO3晶體的倍頻係數。在此基礎上,初步形成了目前已被國內外科學界廣泛認可的晶體非線性光學效應的陰離子基團理論。這一理論的提出,使他們能夠按照基團結構的分類方法,系統地進行新型非線性光學晶體探索,從而為今後硼酸鹽非線性光學晶體的發現打下了理論基礎。

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