晶體人生丨黃朝恩:從研發到成果轉化的非線性“晶”彩人生

陳建榮,張 杰,師瑞澤,石爽爽,楊志奇

(中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018)

黃朝恩(1940—),教授級高工,享受首批國務院政府特殊津貼,斯坦福大學訪問學者,澳大利亞西澳大學客座教授。1963年從武漢大學畢業,進入當時建筑材料工業部非金屬礦研究所(現中材人工晶體研究院有限公司,以下簡稱晶體院)工作。作為訪問學者赴美國斯坦福大學材料研究中心學習、交流,師從曾連續多年擔任國際晶體生長學會主席的R.S.Feigeson教授。曾與美國、俄羅斯、以色列、德國、烏克蘭、澳大利亞等國合作進行研發,相關晶體及產品在國際上得到廣泛認可。先后主持國家項目數十項,致力于科研成果落地推廣轉化及應用,在非線性晶體、閃爍晶體的研發與生產方面取得豐碩成果;在國際上最早利用“有限元”晶體生長模型控制和改善晶體生長,獲晶體領域廣泛認可。是“有突出貢獻的回國留學人員”、全國行業勞動模范,曾任中國共產黨第十四次全國代表大會代表,獲國家科技進步一等獎、建材行業部級科技進步一等獎和杜邦科技創新獎等多項獎勵。

問:您作為我國人工晶體領域的頂尖專家,從大學畢業進入晶體院從事人工晶體生長和研究開發工作50余年,獲得晶體界諸多榮譽,也獲得過“慶祝中華人民共和國成立70周年”紀念章、“有突出貢獻的回國留學人員”等榮譽,把畢生精力奉獻給了人工晶體事業,為非線性晶體行業的發展作出了杰出貢獻。聽說您的英語和俄語水平都不錯,請談談您的學習成長經歷。最初您在晶體院是做云母的,后來為何轉向并堅定從事非線性晶體這個行業的呢?獲得關鍵研發突破的契機是什么?

答:我1940年出生于廣東,1958年考入武漢大學化學系,努力學習專業知識的同時刻苦學習俄語,這使我很快就能順暢地閱讀俄文專業文獻,大學時期便可以在不使用詞典的情況下閱讀《真理報》《消息報》等蘇聯報刊。后來我逐漸意識到,英語是了解外面世界更好的工具,恰好當時有一名非常要好的老鄉是武漢大學英語系學生,于是我便抓住機會,在課余時間拜這位同學為師,自學了英語,大學畢業時已經有了較好的英語基礎。

1963年,我從武漢大學化學系畢業分配到建筑材料工業部非金屬礦研究所,后更名為國家建材局人工晶體研究所,現為中材人工晶體研究院。剛參加工作不久,我就翻譯了一冊俄文和兩冊英文專業書籍。1978年,改革開放拉開了中國第三次留學潮的序幕,我因英語成績突出,被直接推薦參加建材部在北京管莊舉辦的英語培訓班,后又被派往中山大學廣州英語培訓中心(GELC)全脫產學習英語一年。1981年初,晶體院派我以訪問學者的身份出國學習,我收到了美國幾所大學的邀請,最終選擇了斯坦福材料研究中心(CMR)。斯坦福是全球一流大學,且研究方向與我的專業非常對口,我的導師R.S.Feigelson教授曾連續多年任職國際晶體生長學會主席。

較好的外文基礎,使我在國門緊閉的年代,推開了一扇面向世界的窗戶,了解了外面世界的科技動態,并對我選擇研究領域和規劃人生起到了重要的作用。

進入晶體行業具有偶然性,我大學學習的是有機化學,與無機晶體材料聯系不太大,但能夠對社會有用是我追求的目標。我大學畢業實習是在上海有機化學所,當時科研人員正在進行合成牛胰島素的項目。牛胰島素由兩百多個氨基酸組成,需要把各個氨基酸連接起來,空間結構和順序需與天然的一樣。任務分成兩鏈,上海和北京各做一百多個氨基酸。從實習經歷中,我學到了科研團隊的組織、配合,以及科研項目的研究、選題、組織攻關等方法,對之后的工作起到很大的作用。

來到晶體院后我最先從事的是天然云母制作云母絕緣紙,后來是人工合成云母,這可以算是從事晶體研究的開端,再后來就轉到非線性晶體研究上了,這是一個很自然的過渡。

我始終覺得研發的東西一定要對社會有用,這是每一位科技工作者都應秉持的信念。當時國際上有很多科研團隊在開展非線性晶體的研究工作,比如美國杜邦公司,他們用水熱法生長KTP并已取得一定成果,于是我們將熔鹽法KTP晶體生長作為研究目標并努力實現實用化。

晶體院作為工業研究所,不能只搞理論工作,更重要的是將理論應用到實踐,并最終實現科研成果實用化,把握住這一點,就能夠想出突破點把事情做好。

問:20世紀80年代初,世界各國加快了對人工晶體的研究與開發進程,您作為訪問學者從美國斯坦福大學載譽歸來,開始了助熔劑法非線性晶體KTP、LBO晶體及坩堝下降法氟化物單晶的生長,可以分享您的經歷嗎?您特別重視對年輕人的培養,利用自己的渠道推薦許多年輕科技工作者到國外進行學習和交流,對此您是怎么考慮的?

答:科技進步是人類智慧的結晶,科學研究從來不是某個國家單獨的事情,我們不能跟國外隔離開,要參與到國際研究與交流中去,這樣才能取得更大進步。經我送到國外去學習的年輕科技工作者不少,我認為這是非常自然的結果。

我很重視這種交流,在斯坦福時我的工作之一是利用激光加熱晶體纖維生長裝置對人工晶體進行性能鑒定,快速發現其中有用的新晶體,同時我也在斯坦福計算中心做一些研究工作。不去斯坦福我根本不知道計算中心是什么樣子,(當然)那時的計算中心現在看也不算什么,計算機是電子管的,一臺就占幾間實驗室,在美國也只有幾臺,其他大學都還沒有,更別提國內了。利用計算機進行數值模擬并應用到晶體生長中,如何保持界面穩定及合理,減少應力,以長出更好的晶體,沒經過計算中心的工作是不知道的。

我利用“有限元”方法建立了晶體生長熱分布及應力分布的數學模型,研究了晶體生長界面及應力大小的分布與邊界條件的關系。如果沒有交流,這些內容單靠想是想不出來的。計算中心本不在我學習的范圍內,只是聽說有機會,可以去看一看就連CMR的導師都沒有用過的計算中心。我充分利用計算機助力自己的研究,自學了“有限元”方法,結合熱傳導和應力成因的原理,建立了晶體生長熱分布及應力分布的數學模型,用來研究晶體生長界面及應力大小的分布與邊界條件的關系,為控制和改善晶體生長條件提供幫助。研究成果寫成了三篇論文發表在JournalofCrystalGrowth等期刊,導師為此非常高興,我在斯坦福訪學期間發表了多篇文章,但這三篇他們最為看重。通過計算改善晶體生長條件,優化晶體質量,這種理論指導對他(導師)而言非常重要,而且這些工作他沒做過,所以一直到現在我們都保持良好通信,經常交流。

后來R.S.Feigelson教授來到中國,到山東大學、中國科學院福建物質結構研究所、南京大學、晶體院交流講課,一套幻燈片到處講,我陪同并當翻譯,講了幾次后他開玩笑說,黃,你是我的引路人,你上去講就行,可見我跟他關系處得很好。

我覺得與國外溝通非常重要,當時咱們采用熔鹽法生長KTP,而美國杜邦公司采用水熱法生長。如今KTP晶體生長得不錯,(得益于)控溫條件很好。而在那個年代,買溫控表都很困難,(即使買到了)還不是自動恒溫的。我主動聯系了杜邦公司,向他們介紹我們晶體生長的情況和結果,交流的結果是他們覺得熔鹽法并不比水熱法差,愿意無償資助十萬美元給我們做研究,相當于差不多一百萬人民幣。我當時拿到的國家項目經費是二十五萬元,(在當時)就已不算少。面對一百萬元(十萬美元)巨額資金,領導擔心有陷阱,最終考慮了一天才簽字同意。

到國外去學習考察也很重要,我和德國漢諾威大學、瑞典皇家理工學院、澳大利亞西澳大學、美國多家公司和大學、以色列的公司都有比較密切的聯系。以色列的公司先后三次派專人來參觀KTP晶體生產線,他們產品的成功離不開我們研究所的技術支持。用產品跟國外直接交流,從而了解需求適應需求,不斷提高晶體質量,形成良性循環,產品越做越好,客戶也成為在PPKTP領域獨樹一幟的公司。

俗話說“禮尚往來”,我們到國外去學習,同時邀請國外專家學者來國內訪問,通過交流開闊眼界,探討發展方向,這對如何選題、發現新晶體都很有幫助?？傊?學習和研究要有計劃、有想法,才能盡快突破,加快研發進程。

問:您在共事的中青年科技工作者中威信很高,請問您是如何與他們建立感情和培養他們的?

答:20世紀80年代,晶體院已是全國百強科研院所中一顆璀璨的明珠。1990年前后,分別有中國科學院福建物質結構研究所、南京大學、清華大學、中國科技大學、山東大學等一批高校學子慕名而來。

我看到每一位學子都十分親切,因為他們不僅名校畢業,聰明能干,而且有事業心,想干事,是晶體院的未來,精心培養他們無疑是我神圣的責任。

經過幾年的培養和磨煉,他們都成為了晶體院公認的“小專家”。我總是鼓勵和創造條件讓這批“小專家”積極向國際學術會議投遞論文,參與國際交流,這不僅有利于他們開闊眼界增長知識,更有利于我們培養國際化人才。我還幫他們積極聯系出國進修,如20世紀90年代初,經我聯系,晶體院與澳大利亞建立了科技合作項目,我分別推薦了方珍意、閆澤武等青年科技人員赴澳大利亞進修,為他們成為國際化人才奠定了基礎。

在科研上如果遇到分歧,我從不以領導的身份壓制他們,而是尊重他們的見解,鼓勵他們勇提建議,我以科學的理論和實驗的結果引導他們,共同探討,達成共識。

如今,這批“小專家”在各自的領域中大都成為了領軍人物,但他們永遠把晶體院當作自己的家,還?；丶铱赐?暢談彼此間的思念和近期的工作收獲,回顧當年一起拼搏的激情歲月。特別是我80歲生日那天,他們為我舉辦了生日慶祝會,這勝似家人的師徒情讓我感動萬分!

看著他們的進步,我十分欣慰,我衷心祝愿當年的“小專家”們,再接再厲,都成為國家的棟梁之材,實現他們心中的夢想!

問:除了從事非線性晶體研發,您還進行了成果轉化,創辦了特晶廠,后來又把閃爍晶體推向全世界。晶體院轉為企業以后國家也要求做好成果轉化,尤其是對于工業性的研究所,成果轉化的節奏越來越快,您當時是怎么考慮的,可以分享經驗嗎?

答:20世紀90年代初,晶體院成立了以非線性光學晶體KTP為拳頭產品的特晶廠,由我擔任總經理。我和我的團隊邊搞科研邊抓生產,以科研促生產,以生產推科研,形成優勢互補、良性循環,讓公司不僅成為了晶體院創收的主要實體,也為國家創匯做出了積極的貢獻,探索出了一條科技成果轉化為生產力的成功賽道,被《科技日報》等新聞媒體報道。

1993年2月,時任國務院總理李鵬邀請科技界10名代表在中南海舉行座談,聽取他們對《政府工作報告》(科技部分)的建議和意見,晶體院所長應邀參加座談會并重點匯報了我們團隊“以科研促生產,以生產推科研,將科技成果轉化為生產力”的創新經驗。同年3月,晶體院獲得對外經營權,是對外經濟貿易部授予的首批百強創匯科研院所之一。

我當時的想法比較單純,只一心想把科研生產工作做好,多給國家做貢獻。那個年代出國,多數人都不回來,我選擇回來,別人覺得不可思議,國外隨便就能找月薪兩三千美元的工作,回來一個月百八十塊人民幣。我的觀念里學習完了就應該回來,抓住機會努力為單位、為國家做出貢獻,沒有這種信念和努力,想要創造好的效益就很難。在此信念支撐下,特晶廠規模越來越大,成為了晶體院創收的主要實體。

研究單位成果轉化既要考慮規模,又要考慮利潤率,得研判趨勢,抓住重點,判斷哪些值得下苦功夫。非線性晶體種類非常多,結合當時國際非線性晶體研究趨勢和晶體院的科研條件,我們只選擇了KTP和LBO晶體,體現了有所為有所不為。

今天我看到的非線性晶體發展的情況比我那時要好得多,在軍工、測距、量子通信甚至獲得諾貝爾獎的阿秒激光上都有應用。要拓寬市場,就需要了解更多需求,市場和研發要互相促進,最好是相關人員在晶體生長和銷售方面都有發言權,或者協調關系,互相通氣,科技領域這種機制沒有建立起來就有可能要落后。

問:中國在非線性晶體生長、研究和市場經營方面依然占據著重要地位,但隨著半導體激光器快速發展,以KTP為變頻器件的紅綠光激光器部分被取代。您對此怎么看?

答:技術發展的車輪在不斷向前滾動,我們必須支持和適應技術發展的趨勢。KTP晶體倍頻應用的激光器被半導體激光器取代是不可避免的。二極管本身就能發綠光,簡單又省錢,效率還高,非線性晶體卻需要先有紅外激光再進行倍頻,且倍頻角度溫度更敏感,而半導體可以直接出光,簡單快捷。正如以前KTP取代尿素,如今KTP被取代也在情理之中。如果不能在量子效應、電光效應等方面有新的有前景的用途的話,可能這個產品就消失了。你不能跟它作對,和技術進步作對是沒用的,要順應科學發展的規律和趨勢,不應該墨守成規。

問:隨著中國科技力量不斷發展壯大,許多高學歷、高技術人才投身到我國晶體事業中。作為行業先驅、非線性晶體開拓者,您有什么指導、建議或期望?

答:長晶體要耐得住寂寞,也需要有遠見和判斷。這個行業表面上看比較乏味,缺少激情,往往要踏踏實實、默默無聞工作多年才能見成效。

長晶體普遍周期比較長,影響因素很多,比如溫度、溫度分布,還有溫梯大小等。溫度梯度對,溫度高了長不好;溫度對,溫梯不對長不好;溫度、溫梯都對,降溫速度不對長不好。影響因素太多,很可能一年兩年都白干了,但是自暴自棄那是不行的。雖然白干對人的打擊很大,可是要知道這是正常的,還是要努力堅持下去。研發新的晶體這種情況時常會發生,新生代要有思想準備,耐不住寂寞不適合干這行。

我國科技力量正在不斷發展壯大,有許多高學歷、高技術人才已經投身到了晶體事業發展中,他們具備高的科學素養、扎實的專業知識,如果能理論結合實踐,注重基礎實驗,沉得住氣,耐得住寂寞,我相信他們定能擔負起科技發展重擔,為國家發展做貢獻。

問:隨著科學技術的發展,新的晶體不斷出現,表征手段和技術有很大的進步。以非線性為例,國內多家研究機構從結構化學離子基團角度設計計算非線性、折射率、透過寬度,合成了上百種硼酸鹽紫外、深紫外的非線性晶體,體系也都比較復雜,性能參數也不錯,國家和行業投入很大,一些突破性的成果也獲得了不少獎項,但到目前還沒有一個在工業領域獲得成功,性能不如KTP、LBO、BBO等傳統非線性晶體,您覺得原因是什么?我們應該如何走出這個困境?

答:這個問題很難回答,做研究工作,不是做了就一定能夠成功,得有個過程,還需要一些運氣。注意新的苗頭,提升知識水平和敏感度,研判趨勢,有前途的項目加入開始做,肩并肩走,還是有機會成功的,不能夠忽視,也不要全心全意跟在后面走,會走很多彎路。

舉個例子,LBO晶體是陳創天團隊發明的,陰離子基團理論推測其可能是性能優異的非線性晶體。當時我們就接受了這種論點,很快就長得比他(陳創天)的還要大。后來“863”爭項目,陳創天講陰離子基團理論,三年晶體尺寸目標,既有理論又有測試,有絕對優勢。講完后我上去講,我說陳教授準備三年長到2 cm×2 cm×3 cm,我也注意到這個晶體,已經長成4 cm×4 cm×6 cm,而且是全透明的,評委看了一下子就“目瞪口呆”了,新晶體怎么就能比發明人還長得好,所以我們也拿到了項目,后來長得也不錯。從另外一個角度去做,促進技術共同進步,也是給國家做貢獻。

對于新晶體的研發,有精力有條件的話應想辦法加入研發行列,但不能單純地照搬照做,優選題目嘗試性研發。某些研究型的單位發表文章,以文章的數量和發表刊物衡量水平,在實用性的應用研究所里是走不通的,必須以創造經濟效益為主,能發文章就更好了,錦上添花。

問:今年正值晶體院建院六十周年,您經歷了晶體院的誕生與發展,您對晶體院有什么建議,有哪些話想說?

答:我是1963年進院的,六十年前,晶體院只有一棟辦公樓,辦公、科研、住宿都在這棟大樓里,另外就是一棟在建的四層宿舍樓,晶體院的四周是用鐵絲網圍成的,周邊是一片片農田,方圓十幾千米沒有一棟二層建筑。中國的人工晶體研究從此在這里起航,經過幾代晶體人的奮力與拼搏,如今晶體院的科研條件得到了很大的改善,僅晶體院家屬區就建起了11棟大樓。我是晶體院六十年變遷的見證者,深深地愛著晶體院的一草一木,這里有幾代晶體人奮斗的足跡和光輝的歷程!

隨著社會的進步和時代的發展,晶體院也面臨著新的挑戰!正如院慶標語“六十載薪火相傳初心不改,一甲子踔厲奮斗春華秋實”所言,我衷心祝愿晶體院開辟新天地,再創輝煌!

采訪編委:陳建榮(1973—),教授級高工,兼任《人工晶體學報》編委、全國人工晶體標準化委員會秘書長,作為項目/課題負責人承擔科技部、國防科工局、國家發改委和北京市、中關村等科研與產業化項目30多項。獲中國建材集團科技進步獎二等獎、國資委關鍵核心技術攻關“突出貢獻個人”榮譽。

序言：

金剛石被譽為“終極材料”,在過去幾十年中對我國的工業技術發展起到了不可磨滅的作用,未來在電學、光學、熱學、聲學等諸多功能性金剛石領域有巨大發展潛力及前景。六十年來,中材人工晶體研究院有限公司(簡稱晶體院)在金剛石制備與應用方面做了大量的有益探索與開創性工作,彰顯了晶體院極強的創新能力和產業轉化能力。

衷心希望晶體院在之后的科研及產業道路上緊跟國內外技術前沿,提高裝備水平,繼續創造在金剛石制備與應用技術研發和產業的輝煌,為我國金剛石材料的發展貢獻力量。

——候 立