這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中國(guó)領(lǐng)先世界幾十年，但產(chǎn)業(yè)依然只能“喝湯”
發(fā)布時(shí)間 : 2021-06-08 16:12 瀏覽次數(shù) : 1340次中國(guó)要想真正掌握核心，必須走自己的路。
1986年4月28日，48名來(lái)自全美各地的頂尖非線性光學(xué)、激光材料的科學(xué)家們被緊急召集起來(lái)，而他們急切要找到的答案只有一個(gè)。
“為什么國(guó)際最先進(jìn)的非線性光學(xué)材料的物理思想，不是來(lái)自美國(guó)，而是來(lái)自中國(guó)？”
【執(zhí)全球牛耳】
美國(guó)馬里蘭州首府，安那波利斯市。
一座光耀美國(guó)歷史的城市。美國(guó)國(guó)父喬治·華盛頓曾在這里簽署了首份承認(rèn)美國(guó)國(guó)家獨(dú)立的《1783年巴黎條約》。1783年-1784年，這里還曾是美國(guó)的臨時(shí)首都，全美各州議會(huì)大廈中最古老建筑之一的馬里蘭州議會(huì)大廈（Maryland State House）就坐落在此處。
但安那波利斯，這次傳給美國(guó)的卻不是好消息。
當(dāng)天，一場(chǎng)名為《Research on nonlinear optical materials: an assessment》(關(guān)于非線性光學(xué)晶體的調(diào)研）的專(zhuān)題會(huì)議在這里召開(kāi)。美國(guó)學(xué)界、業(yè)界之所以如此緊張，緣于不久前在美國(guó)舊金山舉辦的兩場(chǎng)會(huì)議——激光與電光學(xué)會(huì)議（CLEO）、量子電子學(xué)與激光科學(xué)會(huì)議（QELS）。
在這兩場(chǎng)會(huì)議上，橫空出世的“中國(guó)晶體”——BBO，深深刺痛了美國(guó)人。
BBO是“低溫相偏硼酸鋇”這一晶體材料的簡(jiǎn)稱(chēng)，屬于非線性光學(xué)晶體。它的非凡之處在于，能夠改變激光的輸出頻率或波長(zhǎng)，將近紅外激光（波長(zhǎng)為1064nm）轉(zhuǎn)變?yōu)榫G光激光（波長(zhǎng)532nm）、紫外激光（波長(zhǎng)10nm-380nm）等。
激光的波長(zhǎng)越短，越能實(shí)現(xiàn)高精度的激光加工。
比如，卡著全球芯片制造業(yè)脖子的光刻機(jī)及其光刻技術(shù)，就要靠波長(zhǎng)極短的紫外激光去實(shí)現(xiàn)。目前，波長(zhǎng)小于14nm的EUV極紫外激光就是7nm光刻機(jī)的核心光源，也是世界上唯一能夠進(jìn)行7nm芯片工藝加工的激光技術(shù)。
從那時(shí)起，中國(guó)在非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域，也是光刻技術(shù)的核心材料領(lǐng)域，領(lǐng)先至今。
1986年推出BBO之后，中國(guó)很快又研發(fā)出LBO、KBBF等光學(xué)晶體，持續(xù)執(zhí)全球技術(shù)之牛耳。
其中，誕生于1989年的KBBF更是打破了當(dāng)年國(guó)際激光界飽受困擾的“200nm壁壘”，是光學(xué)材料史上的驚人突破，其科研價(jià)值、工業(yè)價(jià)值、軍事價(jià)值都高得驚人。
在KBBF之前，世界深紫外波段科研裝備一直受能量分辨率低、光子通量小等困擾，就像用500nm粗的激光“手術(shù)刀”去雕刻200nm的花紋，幾乎難以完成。
KBBF的突破，極大地推動(dòng)了中國(guó)深紫外領(lǐng)域的科研水平。
2013年，中科院宣布國(guó)家重大科研裝備“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項(xiàng)目”正式通過(guò)驗(yàn)收，中國(guó)成為世界上唯一一個(gè)能夠制造實(shí)用化、精密化深紫外全固態(tài)激光器的國(guó)家，而支撐這一成就的核心基礎(chǔ)，就是KBBF晶體。
由于在芯片光刻技術(shù)、超導(dǎo)測(cè)量等前沿科技的廣泛應(yīng)用，讓KBBF備受熱捧。中國(guó)人對(duì)于這項(xiàng)領(lǐng)先世界的技術(shù)材料也很慷慨，從不介意向外國(guó)出售KBBF晶體。
然而西方國(guó)家卻并不領(lǐng)情，尤其是美國(guó)，不僅頻繁對(duì)中國(guó)實(shí)施高科技產(chǎn)品技術(shù)封鎖，還將中國(guó)的KBBF晶體視為戰(zhàn)略物資，用于軍事用途。
直到2009年，中國(guó)才意識(shí)到這種晶體的戰(zhàn)略意義，正式停止對(duì)外出口。這也是新中國(guó)第一項(xiàng)對(duì)美國(guó)反向禁售的高新材料，是中國(guó)在高科技領(lǐng)域第一次對(duì)美國(guó)說(shuō)“不”。
盡管美國(guó)在對(duì)別國(guó)封鎖技術(shù)時(shí)通常振振有詞，但當(dāng)它自己遇到類(lèi)似的情況時(shí)，卻表現(xiàn)出截然不同的態(tài)度。他們不停呼吁中國(guó)加大開(kāi)放，還在權(quán)威科學(xué)雜志《自然》發(fā)表題為“中國(guó)把這個(gè)晶體藏起來(lái)了”的文章指責(zé)中國(guó)禁運(yùn)，稱(chēng)這對(duì)美國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并呼吁美國(guó)自主研制KBBF。
也是從2009年開(kāi)始，美國(guó)APC公司與克萊門(mén)森大學(xué)合作，展開(kāi)了對(duì)KBBF的研發(fā)與追趕，并于2016年獲得了與中國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品相媲美的性能。盡管落后了中國(guó)20多年，但據(jù)說(shuō)，不少參與研究的美國(guó)科研人員還是喜極而泣。
不過(guò)在這期間，中國(guó)并沒(méi)有坐等美國(guó)趕超。在美國(guó)獲得KBBF突破之前的2015年8月，中國(guó)便研發(fā)出新型無(wú)鈹深紫外非線性光學(xué)晶體材料LSBO，進(jìn)一步領(lǐng)跑世界，讓美國(guó)人深刻體會(huì)了一把“剛建成就落后”的心酸。
【“找中國(guó)自己的新材料”】
無(wú)論是KBBF、LSBO，還是BBO、LBO，這些被國(guó)際市場(chǎng)譽(yù)為“中國(guó)晶體”的先進(jìn)材料面世，都離不開(kāi)一個(gè)人，他就是“中國(guó)晶體之父”——陳創(chuàng)天院士。
▲2009年3月，KBBF發(fā)明人陳創(chuàng)天院士參加中國(guó)光學(xué)重要成果發(fā)布會(huì)并領(lǐng)獎(jiǎng)
1937年，陳創(chuàng)天出生于浙江省寧波市奉化區(qū)的一個(gè)知識(shí)分子家庭。寧波這片土地從古至今都是人才濟(jì)濟(jì)，古有心學(xué)大家王守仁、“初唐四大家”虞世南，今有中國(guó)首位諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者屠呦呦，可謂星河燦爛，人杰地靈。
新中國(guó)成立后，為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，支援東北建設(shè)，十幾歲的陳創(chuàng)天跟隨做會(huì)計(jì)師的父親，舉家遷至遼寧省沈陽(yáng)市。
在中學(xué)一次物理課上，老師講的宇宙“以太論”吸引了陳創(chuàng)天，讓他對(duì)物理世界產(chǎn)生了濃厚興趣。憑借強(qiáng)烈的熱愛(ài)與不懈地努力，1956年陳創(chuàng)天成功考入北京大學(xué)物理系，跟隨黃昆、王竹溪、郭敦仁、褚圣麟這些新中國(guó)最早一批開(kāi)展物理研究的學(xué)術(shù)大家學(xué)習(xí)。
▲陳創(chuàng)天與老所長(zhǎng)盧嘉錫
25歲時(shí)，陳創(chuàng)天以?xún)?yōu)異的成績(jī)從北京大學(xué)物理系順利畢業(yè)，進(jìn)入福州市的華東物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所（現(xiàn)中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所）工作，在老所長(zhǎng)、著名物理化學(xué)家盧嘉錫的支持下，選擇了非線性光學(xué)材料結(jié)構(gòu)作為研究方向。
陳創(chuàng)天回憶說(shuō)，“當(dāng)時(shí)正好剛提出‘向科學(xué)進(jìn)軍’的口號(hào)……所以，我們就抱定一個(gè)目標(biāo)，要通過(guò)我們自己的努力，讓國(guó)家的科學(xué)事業(yè)打個(gè)翻身仗?！?/span>
然而沒(méi)過(guò)幾年，“文化大革命”興起，猝不及防地打亂了所有人的研究陣腳。
無(wú)法正常進(jìn)行研究工作的陳創(chuàng)天，選擇了專(zhuān)心在家中進(jìn)行光學(xué)理論計(jì)算。多年后，他這樣回憶道，“那時(shí)，計(jì)算非常困難，只有一個(gè)手搖的計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)計(jì)算花了我整整一年的時(shí)間，現(xiàn)在我的學(xué)生做，大概只需要一兩分鐘就算完了?！?/span>
就這樣，靠著一次又一次的手搖計(jì)算，陳創(chuàng)天算出了鈦酸鋇燈晶體的非線性光學(xué)系數(shù)，并逐漸形成了日后聞名全球的陰離子基團(tuán)理論，寫(xiě)出了三篇關(guān)于非線性光學(xué)的論文，更一步步攻克了非線性光學(xué)晶體生長(zhǎng)的諸多難關(guān)。
更大意義的突破，還在于陳創(chuàng)天決定走出一條自己的道路。
當(dāng)時(shí)，全球的非線性光學(xué)材料研究都跟在美國(guó)研究后面亦步亦趨，全球關(guān)于該技術(shù)的研發(fā)核心也都在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室與杜邦研究發(fā)展中心。
陳創(chuàng)天團(tuán)隊(duì)因此認(rèn)為，如果像其他國(guó)家一樣跟隨美國(guó)，最多只能成為美國(guó)第二，中國(guó)要想真正掌握核心，必須“走我們自己的路，找我們自己的新材料！”。
于是，在極其艱難的環(huán)境下，他自告奮勇地帶隊(duì)主攻這一領(lǐng)域。
1974年，物構(gòu)所冒著風(fēng)險(xiǎn)在福州召開(kāi)了全國(guó)晶體生長(zhǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議。會(huì)上，老所長(zhǎng)盧嘉錫甚至立下了軍令狀，“我不下地獄，誰(shuí)下地獄！為了探索非線性光學(xué)材料，福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所先下！”。
日復(fù)一日的研究、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、修正之后，1979年7月，陳創(chuàng)天終于找到了基于B3O6基團(tuán)的偏硼酸鋇，并成功合成了低溫相偏硼酸鋇——BBO。
BBO的非線性光學(xué)性能驚人的優(yōu)秀，其倍頻系數(shù)是美國(guó)杜邦研究發(fā)展中心當(dāng)時(shí)最領(lǐng)先的KTP晶體的六倍，一舉打破了多項(xiàng)國(guó)際記錄。
于是，也就有了文章開(kāi)頭的那一幕：
在1986年的激光與電光學(xué)會(huì)議（CLEO）和量子電子學(xué)與激光科學(xué)會(huì)議（QELS）上，BBO引起全美光學(xué)界的巨大轟動(dòng)。
陳創(chuàng)天回憶，“（當(dāng)時(shí)）聽(tīng)報(bào)告的人大概有200多位，等我報(bào)告結(jié)束，有100多位科學(xué)家跟我一起出去，想進(jìn)一步了解情況，結(jié)果后來(lái)的會(huì)議就沒(méi)法開(kāi)了?！?/p>
美國(guó)也因此緊急召集了48名全美最頂尖光學(xué)材料科學(xué)家，討論如何應(yīng)對(duì)“中國(guó)晶體”的威脅。
▲陳創(chuàng)天在斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室
此后，陳創(chuàng)天院士一直專(zhuān)注于中國(guó)晶體研究?！懊刻旃ぷ?2個(gè)小時(shí)……一般都是晚上12點(diǎn)才睡覺(jué)的，無(wú)論是困難時(shí)期，還是在‘文化大革命’時(shí)期，都沒(méi)有間斷過(guò)。”
他不但是國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目的課題負(fù)責(zé)人，也是國(guó)家重大科研裝備研制專(zhuān)項(xiàng)“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備”首席科學(xué)家，他參與研發(fā)的KBBF晶體讓中國(guó)成為世界上唯一能夠制造出實(shí)用化、精密化全固態(tài)激光器并成功應(yīng)用于前沿裝備的國(guó)家。
憑借對(duì)中國(guó)晶體研究的杰出貢獻(xiàn)，2018年年初，陳創(chuàng)天院士獲得了國(guó)家最高科技獎(jiǎng)提名。無(wú)比遺憾的是，還沒(méi)等到獎(jiǎng)項(xiàng)揭曉，他就于當(dāng)年10月31日因病去世，享年82歲。
讓美國(guó)人無(wú)法想象的是，當(dāng)年憑借BBO震驚了世界光學(xué)界的陳創(chuàng)天，其個(gè)人現(xiàn)實(shí)生活的最大改變之一，卻是工資從86元增加到了154元。
雖然陳創(chuàng)天對(duì)此毫無(wú)怨言，并不止一次地在媒體采訪、教育學(xué)生時(shí)說(shuō)：“投身于科學(xué)事業(yè)，不要有功利主義，而是要下定決心，把此生無(wú)私地奉獻(xiàn)給科學(xué)，奉獻(xiàn)給祖國(guó)，奉獻(xiàn)給人民?！?/span>
除了陳創(chuàng)天外，”中國(guó)晶體”的背后，還有許許多多科學(xué)家們披星戴月、默默無(wú)私地奉獻(xiàn)。
【中國(guó)制造如何“打好翻身仗”？】
更令人遺憾的是，在非線性光學(xué)晶體取得矚目成就的另一邊，卻是中國(guó)在整個(gè)激光產(chǎn)業(yè)鏈的相對(duì)薄弱。
激光作為20世紀(jì)新“四大發(fā)明”之一，被譽(yù)為“最準(zhǔn)的尺，最快的刀”，無(wú)論是工業(yè)還是軍事應(yīng)用，都有著極高的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。工業(yè)激光由激光器產(chǎn)生，從光源種類(lèi)來(lái)劃分，激光器可以分為固態(tài)激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器、光纖激光器等。
非線性光學(xué)晶體材料是固態(tài)激光器的重要零部件。除了非線性光學(xué)晶體材料外，一個(gè)激光器還由泵浦源、偏振片、輸出鏡、棱鏡、透鏡等不同零件組成。
▲激光器分類(lèi)
圖片來(lái)源：申萬(wàn)宏源研究
雖然中國(guó)掌握了核心材料，擁有最領(lǐng)先的非線性光學(xué)晶體，但因?yàn)樵谄渌悴考I(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)國(guó)家，也難以以此為牛鼻子，推動(dòng)整個(gè)激光產(chǎn)業(yè)的協(xié)同提升。
激光是個(gè)極其復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈，需要多種材料、多種技術(shù)、多種零部件的配合工作。只有晶體材料一項(xiàng)的強(qiáng)大是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，想要中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的整體強(qiáng)勢(shì)，則必須要我們?cè)诿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都不能落后太多。
根據(jù)申萬(wàn)宏源數(shù)據(jù)，當(dāng)前，我國(guó)國(guó)內(nèi)低功率的激光器國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)可以達(dá)到90%以上、中功率國(guó)產(chǎn)化約60%，但高功率激光器的國(guó)產(chǎn)化還不足40%。
2019年，我國(guó)規(guī)模以上激光企業(yè)有超過(guò)150家，但其中年收入在50億元以上的只有2家，中低端切割、打標(biāo)、焊接仍是我國(guó)激光設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用，高端市場(chǎng)仍舊被IPG、Coherent、Nlight等海外企業(yè)占據(jù)。
▲中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模
數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心
而且，在激光產(chǎn)業(yè)鏈中，上游材料所占比重并不大，最核心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)其實(shí)是中游的激光器、激光頭，它在設(shè)備中價(jià)值占比高達(dá)30%-60%。
因?yàn)榫w本身的市場(chǎng)規(guī)模有限，即便BBO、LBO、KBBF本身，中國(guó)也沒(méi)有像其他國(guó)家那樣賣(mài)出高價(jià)錢(qián)。由福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所孵化出的福晶科技，2020年凈利潤(rùn)也只有1.44億元。
中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)沒(méi)有充分利用并享受到中國(guó)晶體的價(jià)值，一方面是產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)受限沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，另一方面，還源于除了晶體之外的其他配套產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)理論領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐沒(méi)跟上。
一項(xiàng)科學(xué)研究的產(chǎn)業(yè)化落地要經(jīng)過(guò)三輪創(chuàng)新：理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新。其中，理論創(chuàng)新是我國(guó)最為薄弱的環(huán)節(jié)。
陳創(chuàng)天之所能夠帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在晶體領(lǐng)域取得突破性的成果，正是因?yàn)樗麖睦碚搫?chuàng)新開(kāi)始著手，通過(guò)大量計(jì)算，最終形成了突破性的“陰離子基團(tuán)理論”，成功從源頭上超越了國(guó)外理論。
理論優(yōu)勢(shì)帶來(lái)的是“降維打擊”，在更先進(jìn)、更高級(jí)的理論指導(dǎo)下，中國(guó)晶體才得以順利地超越國(guó)際水平，領(lǐng)跑全球。
當(dāng)今中國(guó)不缺產(chǎn)品創(chuàng)新，也不缺技術(shù)創(chuàng)新，可我們的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新實(shí)在落后太多。
華為創(chuàng)始人任正非就在無(wú)數(shù)場(chǎng)合公開(kāi)奔走呼吁，我國(guó)應(yīng)該加倍重視基礎(chǔ)理論創(chuàng)新：
“高科技領(lǐng)域最大的問(wèn)題，是大家要沉得下心，沒(méi)有理論基礎(chǔ)的創(chuàng)新是不可能做成大產(chǎn)業(yè)的?！宓室昀洹?，理論基礎(chǔ)的板凳可能要坐更長(zhǎng)時(shí)間。”
“沒(méi)有理論突破，小改小革，就是一地’雞毛’?！?/span>
當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)加速向高端轉(zhuǎn)型，無(wú)論是激光、晶體、還是芯片、工業(yè)、機(jī)器人……各行各業(yè)都有著巨大的發(fā)展契機(jī)，此時(shí)我們比任何時(shí)候都更需要回到基礎(chǔ)理論的源頭，成就更多的“KBBF”，才能助力中國(guó)制造“打好翻身仗”。
上述文章摘自鳳凰網(wǎng)，來(lái)源鏈接https://tech.ifeng.com/c/86r7bBZ91Mi
