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,分配到國家建筑材料工業局人工晶體研究所(現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?！?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月畢業于四川大學物理系固體物理專業,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年人類實現第一束激光,繼而于次年實現激光倍頻以來,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等均由歐美國家發現。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”晶體的發明或發現,我國從跟隨發達國家腳步到實現反超,最終引領世界非線性光學晶體發展,這其中老一輩科學家作出了巨大的貢獻。目前實現了商業化的三大非線性光學晶體為BBO、LBO和KTP,其中BBO和LBO均為中國學者發明,KTP則由中國科研人員實現了商業化。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”晶體的發展作出了卓越貢獻。

KN是20世紀60年代末被發現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劣并作出發展規劃,呼吁美國政府在十年內投入2 000～5 000萬美元優先研制包括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模應用,但是沈先生生長KN晶體獨創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也是一種性能優良的非線性光學晶體。1971年,法國研究者發現了該晶體,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,創造性地發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在實驗現場,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晶體有獨特的優點。首先,頂部籽晶熔劑法生長KTP晶體時,籽晶在生成態晶體的外部,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,發明KTP晶體的杜邦公司想開發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秀材料。頂部籽晶熔劑法生長KTP技術的成功使KTP走向商業化并大規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年代的數千美元降至現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了杜邦科技創新獎(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揮了重要作用。

圖4 2001年度杜邦科技創新獎頒獎大會

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,現在許多科研工作者缺乏嚴謹的治學態度,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一個良好的學風,并代代相傳。

每年畢業季,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做法。但是沈先生認為,基頻光進入倍頻晶體后是逐漸轉變為倍頻光的,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需要這么認真嗎?沈院士的回答是肯定的:“要!只有在細節方面堅持認真二字,才可能創出一流成果?！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,他的精神和風范將成為后輩的寶貴財富,也將隨著晶體事業的發展而永存。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、淡泊名利的優秀品格,學習沈先生嚴謹治學、提攜后學的優良風范。

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發展所做出的貢獻,并將先生未盡的事業不斷推向前進!