多彩的晶体世界期末作业.doc

多彩的晶体世界期末作业中国石油大学(华东)2013年10月8日中国著名晶体学家陈创天陈创天，材料科学专家，1962年毕业于北京大学物理系。1998年始，担任中国科学院理化技术研究所研究员、北京人工晶体研究发展中心主任。1990年当选第三世界科学院院士,2003年当选中国科学院院士。陈创天主要从事新型非线性光学晶体的研究和发展，1976年提出晶体非线性光学效应的阴离子基团理论，合作发现了-BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、KBe2BO3F2(KBBF)和K2Al2B2O7(KABO)等非线性光学晶体。与他人合作，在国际上首次实现Nd:YVO4激光6倍频谐波光和Ti:Sapphire激光5倍频谐波光输出，获得2007年度求是基金会颁发的求是杰出科技成就集体奖。1968年，陈创天提出，非线性光学效应是一种局域化的效应，是组成晶体的基本结构单元阴离子基团的微观倍频系数的几何迭加，阴离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子基团的局域化、量子化学轨道波函数，通过二级微扰理论算出来。这就是国际上著名的非线性光学效应的阴离子基团理论。1979年，在研究组的共同努力下，他开始在硼酸盐化合物体系中探索新型非线性光学晶体，发现（B3O6）基团是一个较为理想的探索新一代非线性光学晶体的基本结构单元，又在此基础上经过与合作者的一系列实验研究，确定低温相偏硼酸钡（BaB2O4,简称BBO）是一种优秀的非线性光学晶体。沿着这一科学思想，他们陆续发现了以（B3O7）基团为基本结构单元的LiB3O5（简称LBO）晶体和以（BO3）基团为基本结构单元的KBe2BO3F2（KBBF）等等。1980年，陈创天的研究组在中国科学院物理研究所梁敬魁院士研究组的帮助下，确定了所发现的具有很强非线性光学效应的硼酸钡化合物是低温相偏硼酸钡，其化学分子式为BaB2O4,简称BBO。随后2年，陈创天的科研团队在BBO上又取得新进展使用熔剂生长法，在世界上首次成功生长出厘米级尺寸的BBO单晶体，就是日后被国际同行誉为“中国牌”的晶体。通过测定倍频系数大小和相匹配关系，证明了BBO是非常优秀的非线性光学晶体，不但可以产生可见光谱区的谐波光，还可以通过Nd:YAG激光（波长1064纳米）的四次谐波，产生266纳米的紫外谐波光，其倍频转换效率（532至266纳米）大大超过当时被公认最好的紫外非线性光学晶体尿素单晶。1987年，陈创天和他的研究团队发现并生长出第二块“中国牌”非线性光学晶体LBO。与BBO相比，LBO紫外截止波长紫移到150纳米。LBO有适当的硬度和良好的机械加工性能，潮解性能良好，已经能够长出大尺寸、高质量的单晶。LBO很快就获得了国际激光科技界和工业界的认可，并被广泛应用在激光工业界。BBO晶体获1986年度中科院科技进步特等奖，LBO晶体获1990年度中科院发明一等奖，1991年度国家发明一等奖。BBO、LBO晶体还分别于1987、1989年获美国光电子产业界颁发的十大光电子产品奖。1989年获得首届陈嘉庚物质科学奖。陈创天院士本人也先后获得1987年度第三世界科学院化学奖，1990年激光集锦（Laser Focus World）杂志颁发的工业技术成就奖。2007年，他的研究组和合作者一起，在国际上首次实现了Ti:Sapphire激光的4倍频、5倍频输出（200nm170.0nm）和Nd:YVO4激光的6倍频输出（177.3nm），并获得14mW的平均功率输出。Nd:YVO4激光的6倍频光源已成功的应用于超高分辨率光电子能谱仪，并首次直接观察到超导体在超导态时的超导能隙，引起国际上很大反响。另外，这一相干光源还将推动193nm光刻技术、纳米级微机械加工的发展。2013年8月14日，陈创天院士获得国际晶体生长协会最高奖之一Laudise奖。这是中国科学家获得的首个国际晶体生长协会最高奖。中国人工晶体的发展历程自然界的晶体以其美丽、规则的外形，早已引起人们的注意。长期以来，天然矿物晶体是大块单晶的唯一来源。由于形成条件限制，大而完整的单晶矿物相当稀少。某些罕见宝石单晶，如钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石等，大都成了稀奇的收藏品、名贵的装饰品和博物馆中的展览品。随着生产和科学技术的发展，人们对单晶的需求日益增加。但天然单晶矿物无论在品种、数量和质量上都不能满足日益增长的需求。于是人们想方设法用人工办法合成单晶，促进了人工晶体的迅速发展。一、中国古代人工晶体发展状况中国是一个具有五千余年历史的文明古国，古代人民创造了灿烂的文化和科学技术。晶体生长作为一门科学和技艺，在中国古代早就有所涉及。从远古对雪花（冰）晶体的观察，到海盐的大规模结晶，从冶铁到炼丹，从利用天然矿物到制备人工晶体，我国古代劳动人民辛勤的探索和时间，为人们提供了宝石、盐、糖、芒硝和各种药物晶体，满足着当时人们精神和物质方面的需求。二、中国现代人工晶体发展状况我国现代的晶体生长研究起步于1958年。1958年的科学规划把晶体生长学科列入了发展项目之中，开始研制焰熔法合成红宝石、水热法合成水晶和高温高压法合成金刚石晶体。后来推广到工业部门生产，如苏州宝石厂等。60年代初期，由于激光技术的兴起，国家组织中科院和电子部七个研究所（物理所、西物所、光机所、物构所和1411、1426所）先后开展激光晶体的研制工作，并逐步扩散到其它研究单位、学校和工厂。其间，经过几起几落，至今，已形成高校、研究所和工厂从基础研究、开发研究到商业化生产的一个完整体系，几千人的专业队伍。我国的晶体研制工作也从早期的单纯跟踪西方研究进展逐步上升到独立创新，先后研制出具有独立自主知识产权的多种新晶体和晶体生长技术。其中，中科院物构所研制的非线性光学晶体BBO和LBO在世界上更享有盛誉，被称为“中国牌”的晶体。近几年来，还出现了世界上晶体生长产业向中国转移的可喜现象。中国在晶体生长技术方面的优势（包括人才和技术）正在逐渐被世界上越来越多的国家所认识。（一）BBO晶体和LBO晶体1986年5月，陈创天代表他的课题组和美国斯坦福大学拜尔（Byer）教授研究组共同在美国旧金山召开的激光光电子会议上作了有关我国BBO晶体非线性光学性能的报告，引起了轰动。这次会议后，BBO晶体正式被国际学术界认可为一种优秀的非线性人工晶体。两年后，他们又发明了三硼酸锂（即LiB3O5简称LBO）晶体。由于BBO、LBO晶体首先由中国科学家发明，而且性能优异，应用前景看好，因此在国际上被誉为“中国牌晶体”。1986年，BBO晶体获中国科学院科技进步特等奖。1990年，LBO晶体获中国科学院发明一等奖；1991年获国家发明一等奖。BBO、LBO晶体还分别于1987、1989年获美国光电子产业界颁发的十大光电子产品奖。（二）KTP晶体这两种晶体作为激光频率转换晶体材料已经在激光高科技产业中得到广泛的应用，是最具有工业应用价值的三种非线性人工晶体中的两种。另一种磷酸钛氧钾KTiOPO4晶体（简称KTP）是美国杜邦公司发明的，但我国攻克了KTP晶体熔盐法关键生长技术。1986年，在山东大学蒋民华院士的主持下，KTP晶体作为我国第一个高科技产品出口到先进工业国家，是当时高技术产品“零的突破”，25年来，KTP晶体生长技术不断改进，质量提高、价格降低，使KTP晶体得到普及应用，有力地促进了中低功率激光产业的发展。以光学超晶格为代表的微结构光学晶体是一种新型非线性光学材料，以这种晶体研制成的全固态激光器可以进一步拓展激光器的工作波长，在科学研究、高技术和工业应用方面发挥独特作用。南京大学闵乃本院士研究组基于光学超晶格基础研究成果，在863计划的支持下，完成了小型全固态红、绿、蓝三基色激光器和准白光激光器等样机的研制；包括光学超晶格在内的“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”的研究成果获得2006年国家自然科学一等奖。基于光学超晶格的全固态激光器有可能作为一种技术方案在激光显示、环境监测等领域获得重要的应用。此外，我国大尺寸磷酸二氢钾（KDP）等晶体的生长也满足了我国国防高科技的急需，在超大功率激光工程中获得应用。（三）KBBF晶体在国家相关科技计划，包括863计划的支持下，在BBO、LBO晶体产业化后，陈创天院士和他的研究团队并没有停止研究的步伐。他们针对这两种晶体不能实现深紫外（指波长短于200nm）光输出的缺点，运用分子工程学方法，进一步发明了KBe2BO3F2（KBBF）晶体。这一发明弥补了BBO和LBO两种晶体不能实现深紫外倍频光输出的缺陷，从而把非线性人工晶体的转换能力推向了深紫外波段。在此基础上，我国科学家和日本科学家合作首次成功研制出能量分辨率优于毫电子伏特的超高分辨率光电子能谱仪，可以说，没有KBBF晶体和棱镜耦合技术就不可能有超高分辨率光电子能谱仪，也不可能发展具有我国特色，以深紫外激光器为基础的紫外科学仪器系列及相关的高水平研究工作。2009年2月，自然以中国“藏匿”的晶体珍宝为题报道了中国人工晶体的成就： “中国在KBBF晶体上的垄断地位并不是一个偶然，当其它国家的材料科学家和固体物理学家面对着一种资金匮乏，投入短缺的科研状况的时候，他们的中国同行却悄然占领了一系列广阔的材料研究领域的制高点”；“其他国家在晶体生长方面的研究目前看来是无法赶上与中国的这个差距的”。在国家长期的支持下，中国的人工晶体研究厚积薄发，从模仿、跟踪到逐步走上独立自主发展功能晶体的道路，成为我国数量逐步增多、具有国际领先水平的科学研究领域之一。2010年8月参加在北京举办的第16届国际晶体生长会议的1100多位各国代表高度评价中国晶体生长的成就；这次会议是我国人工晶体全面走向世界的标志，也是我国人工晶体和激光产业结合，走向实用化产业化的新起点。三、中国人工晶体发展未来展望在“十二五”期间，人工晶体和激光器产业将在原有优势领域继续集中力量，确保领先地位；同时，在优势关联领域加强力量，延伸已有优势；在应用技术领域加大支持力度，转化研究优势。“十二五”期间，863计划将以国家重大发展战略为导向，市场需求为牵引，核心技术突破为重点，以激光器件技术开发突破带动上游的晶体材料和下游的产业化应用技术链的整体贯穿、平衡发展，将现有的技术优势转化为产品和产业优势，推动以全固态激光技术为基础的产业群发展，产生应有的经济效益和社会效益。人工合成晶体在经历了近百年的发展后，至今仍很有前途，且大有可为。我们相信在不远的将来，人工合成晶体事业将更加兴旺发达，蒸蒸日上。对本门课的建议多彩的晶体世界是一门枯燥又有趣的课程。通过对这门课的学习，我们可以了解到晶体的美丽多彩与用途广泛，了解到中国人工晶体的发展现状。本门课程理论性很强，但又不缺乏应用性。图文结合的上课方式是让同学们接近了解晶体的最好方式。通过各种晶体的图片，同学们不仅可以直观的看到晶体的外观，还可以扩大同学们的知识面，激发他们对晶体学学习的兴趣。晶体学专业术语比较多，晶体分类也比较多，老师可以在课件中用鲜明漂亮的图标或者图表向学生展示课程学习的内容，在幻灯片中加一些特效或者音效，以达到吸引同学们注意的目的。老师也可以着重某类或者某几