这项关键技术中国领先世界几十年,但产业依然只能“喝汤”

发布时间 : 2021-06-08 16:12  浏览次数 : 14

中国要想真正掌握核心,必须走自己的路。

1986年4月28日,48名来自全美各地的顶尖非线性光学、激光材料的科学家们被紧急召集起来,而他们急切要找到的答案只有一个。

“为什么国际最先进的非线性光学材料的物理思想,不是来自美国,而是来自中国?”

【执全球牛耳】

美国马里兰州首府,安那波利斯市。

一座光耀美国历史的城市。美国国父乔治·华盛顿曾在这里签署了首份承认美国国家独立的《1783年巴黎条约》。1783年-1784年,这里还曾是美国的临时首都,全美各州议会大厦中最古老建筑之一的马里兰州议会大厦(Maryland State House)就坐落在此处。

但安那波利斯,这次传给美国的却不是好消息。

当天,一场名为《Research on nonlinear optical materials: an assessment》(关于非线性光学晶体的调研)的专题会议在这里召开。美国学界、业界之所以如此紧张,缘于不久前在美国旧金山举办的两场会议——激光与电光学会议(CLEO)、量子电子学与激光科学会议(QELS)。

在这两场会议上,横空出世的“中国晶体”——BBO,深深刺痛了美国人。

BBO是“低温相偏硼酸钡”这一晶体材料的简称,属于非线性光学晶体。它的非凡之处在于,能够改变激光的输出频率或波长,将近红外激光(波长为1064nm)转变为绿光激光(波长532nm)、紫外激光(波长10nm-380nm)等。

激光的波长越短,越能实现高精度的激光加工。

比如,卡着全球芯片制造业脖子的光刻机及其光刻技术,就要靠波长极短的紫外激光去实现。目前,波长小于14nm的EUV极紫外激光就是7nm光刻机的核心光源,也是世界上唯一能够进行7nm芯片工艺加工的激光技术。

从那时起,中国在非线性光学晶体领域,也是光刻技术的核心材料领域,领先至今。

1986年推出BBO之后,中国很快又研发出LBO、KBBF等光学晶体,持续执全球技术之牛耳。

其中,诞生于1989年的KBBF更是打破了当年国际激光界饱受困扰的“200nm壁垒”,是光学材料史上的惊人突破,其科研价值、工业价值、军事价值都高得惊人。

在KBBF之前,世界深紫外波段科研装备一直受能量分辨率低、光子通量小等困扰,就像用500nm粗的激光“手术刀”去雕刻200nm的花纹,几乎难以完成。

KBBF的突破,极大地推动了中国深紫外领域的科研水平。

2013年,中科院宣布国家重大科研装备“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”正式通过验收,中国成为世界上唯一一个能够制造实用化、精密化深紫外全固态激光器的国家,而支撑这一成就的核心基础,就是KBBF晶体。

由于在芯片光刻技术、超导测量等前沿科技的广泛应用,让KBBF备受热捧。中国人对于这项领先世界的技术材料也很慷慨,从不介意向外国出售KBBF晶体。

然而西方国家却并不领情,尤其是美国,不仅频繁对中国实施高科技产品技术封锁,还将中国的KBBF晶体视为战略物资,用于军事用途。

直到2009年,中国才意识到这种晶体的战略意义,正式停止对外出口。这也是新中国第一项对美国反向禁售的高新材料,是中国在高科技领域第一次对美国说“不”。

尽管美国在对别国封锁技术时通常振振有词,但当它自己遇到类似的情况时,却表现出截然不同的态度。他们不停呼吁中国加大开放,还在权威科学杂志《自然》发表题为“中国把这个晶体藏起来了”的文章指责中国禁运,称这对美国相关领域的研究产生严重影响,并呼吁美国自主研制KBBF。

也是从2009年开始,美国APC公司与克莱门森大学合作,展开了对KBBF的研发与追赶,并于2016年获得了与中国同类产品相媲美的性能。尽管落后了中国20多年,但据说,不少参与研究的美国科研人员还是喜极而泣。

不过在这期间,中国并没有坐等美国赶超。在美国获得KBBF突破之前的2015年8月,中国便研发出新型无铍深紫外非线性光学晶体材料LSBO,进一步领跑世界,让美国人深刻体会了一把“刚建成就落后”的心酸。

【“找中国自己的新材料”】

无论是KBBF、LSBO,还是BBO、LBO,这些被国际市场誉为“中国晶体”的先进材料面世,都离不开一个人,他就是“中国晶体之父”——陈创天院士。

▲2009年3月,KBBF发明人陈创天院士参加中国光学重要成果发布会并领奖

1937年,陈创天出生于浙江省宁波市奉化区的一个知识分子家庭。宁波这片土地从古至今都是人才济济,古有心学大家王守仁、“初唐四大家”虞世南,今有中国首位诺贝尔医学奖获得者屠呦呦,可谓星河灿烂,人杰地灵。

新中国成立后,为了响应国家号召,支援东北建设,十几岁的陈创天跟随做会计师的父亲,举家迁至辽宁省沈阳市。

在中学一次物理课上,老师讲的宇宙“以太论”吸引了陈创天,让他对物理世界产生了浓厚兴趣。凭借强烈的热爱与不懈地努力,1956年陈创天成功考入北京大学物理系,跟随黄昆、王竹溪、郭敦仁、褚圣麟这些新中国最早一批开展物理研究的学术大家学习。

▲陈创天与老所长卢嘉锡

25岁时,陈创天以优异的成绩从北京大学物理系顺利毕业,进入福州市的华东物质结构研究所(现中科院福建物质结构研究所)工作,在老所长、著名物理化学家卢嘉锡的支持下,选择了非线性光学材料结构作为研究方向。

陈创天回忆说,“当时正好刚提出‘向科学进军’的口号……所以,我们就抱定一个目标,要通过我们自己的努力,让国家的科学事业打个翻身仗。”

然而没过几年,“文化大革命”兴起,猝不及防地打乱了所有人的研究阵脚。

无法正常进行研究工作的陈创天,选择了专心在家中进行光学理论计算。多年后,他这样回忆道,“那时,计算非常困难,只有一个手摇的计算机,当时计算花了我整整一年的时间,现在我的学生做,大概只需要一两分钟就算完了。”

就这样,靠着一次又一次的手摇计算,陈创天算出了钛酸钡灯晶体的非线性光学系数,并逐渐形成了日后闻名全球的阴离子基团理论,写出了三篇关于非线性光学的论文,更一步步攻克了非线性光学晶体生长的诸多难关。

更大意义的突破,还在于陈创天决定走出一条自己的道路。

当时,全球的非线性光学材料研究都跟在美国研究后面亦步亦趋,全球关于该技术的研发核心也都在美国贝尔实验室与杜邦研究发展中心。

陈创天团队因此认为,如果像其他国家一样跟随美国,最多只能成为美国第二,中国要想真正掌握核心,必须“走我们自己的路,找我们自己的新材料!”。

于是,在极其艰难的环境下,他自告奋勇地带队主攻这一领域。

1974年,物构所冒着风险在福州召开了全国晶体生长学术会议。会上,老所长卢嘉锡甚至立下了军令状,“我不下地狱,谁下地狱!为了探索非线性光学材料,福建物质结构所先下!”。

日复一日的研究、实验、计算、修正之后,1979年7月,陈创天终于找到了基于B3O6基团的偏硼酸钡,并成功合成了低温相偏硼酸钡——BBO。

BBO的非线性光学性能惊人的优秀,其倍频系数是美国杜邦研究发展中心当时最领先的KTP晶体的六倍,一举打破了多项国际记录。

于是,也就有了文章开头的那一幕:

在1986年的激光与电光学会议(CLEO)和量子电子学与激光科学会议(QELS)上,BBO引起全美光学界的巨大轰动。

陈创天回忆,“(当时)听报告的人大概有200多位,等我报告结束,有100多位科学家跟我一起出去,想进一步了解情况,结果后来的会议就没法开了。”

美国也因此紧急召集了48名全美最顶尖光学材料科学家,讨论如何应对“中国晶体”的威胁。

▲陈创天在斯坦福大学实验室

此后,陈创天院士一直专注于中国晶体研究。“每天工作12个小时……一般都是晚上12点才睡觉的,无论是困难时期,还是在‘文化大革命’时期,都没有间断过。”

他不但是国家“973”计划项目的课题负责人,也是国家重大科研装备研制专项“深紫外固态激光源前沿装备”首席科学家,他参与研发的KBBF晶体让中国成为世界上唯一能够制造出实用化、精密化全固态激光器并成功应用于前沿装备的国家。

凭借对中国晶体研究的杰出贡献,2018年年初,陈创天院士获得了国家最高科技奖提名。无比遗憾的是,还没等到奖项揭晓,他就于当年10月31日因病去世,享年82岁。

让美国人无法想象的是,当年凭借BBO震惊了世界光学界的陈创天,其个人现实生活的最大改变之一,却是工资从86元增加到了154元。

虽然陈创天对此毫无怨言,并不止一次地在媒体采访、教育学生时说:“投身于科学事业,不要有功利主义,而是要下定决心,把此生无私地奉献给科学,奉献给祖国,奉献给人民。”

除了陈创天外,”中国晶体”的背后,还有许许多多科学家们披星戴月、默默无私地奉献。

【中国制造如何“打好翻身仗”?】

更令人遗憾的是,在非线性光学晶体取得瞩目成就的另一边,却是中国在整个激光产业链的相对薄弱。

激光作为20世纪新“四大发明”之一,被誉为“最准的尺,最快的刀”,无论是工业还是军事应用,都有着极高的战略价值。工业激光由激光器产生,从光源种类来划分,激光器可以分为固态激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器、光纤激光器等。

非线性光学晶体材料是固态激光器的重要零部件。除了非线性光学晶体材料外,一个激光器还由泵浦源、偏振片、输出镜、棱镜、透镜等不同零件组成。

▲激光器分类

图片来源:申万宏源研究

虽然中国掌握了核心材料,拥有最领先的非线性光学晶体,但因为在其他零部件领域远远落后于世界先进国家,也难以以此为牛鼻子,推动整个激光产业的协同提升。

激光是个极其复杂的产业链,需要多种材料、多种技术、多种零部件的配合工作。只有晶体材料一项的强大是远远不够的,想要中国激光产业的整体强势,则必须要我们在每一个环节都不能落后太多。

根据申万宏源数据,当前,我国国内低功率的激光器国产化已经可以达到90%以上、中功率国产化约60%,但高功率激光器的国产化还不足40%。

2019年,我国规模以上激光企业有超过150家,但其中年收入在50亿元以上的只有2家,中低端切割、打标、焊接仍是我国激光设备在工业领域的主要应用,高端市场仍旧被IPG、Coherent、Nlight等海外企业占据。

▲中国激光设备市场规模

数据来源:中国科学院武汉文献情报中心

而且,在激光产业链中,上游材料所占比重并不大,最核心的关键环节其实是中游的激光器、激光头,它在设备中价值占比高达30%-60%。

因为晶体本身的市场规模有限,即便BBO、LBO、KBBF本身,中国也没有像其他国家那样卖出高价钱。由福建物质结构所孵化出的福晶科技,2020年净利润也只有1.44亿元。

中国激光产业没有充分利用并享受到中国晶体的价值,一方面是产业协同效应受限没有发挥出来,另一方面,还源于除了晶体之外的其他配套产业基础理论领域的创新步伐没跟上。

一项科学研究的产业化落地要经过三轮创新:理论创新、技术创新、产品创新。其中,理论创新是我国最为薄弱的环节。

陈创天之所能够带领团队在晶体领域取得突破性的成果,正是因为他从理论创新开始着手,通过大量计算,最终形成了突破性的“阴离子基团理论”,成功从源头上超越了国外理论。

理论优势带来的是“降维打击”,在更先进、更高级的理论指导下,中国晶体才得以顺利地超越国际水平,领跑全球。

当今中国不缺产品创新,也不缺技术创新,可我们的基础理论创新实在落后太多。

华为创始人任正非就在无数场合公开奔走呼吁,我国应该加倍重视基础理论创新:

“高科技领域最大的问题,是大家要沉得下心,没有理论基础的创新是不可能做成大产业的。‘板凳要坐十年冷’,理论基础的板凳可能要坐更长时间。”

“没有理论突破,小改小革,就是一地’鸡毛’。”

当前,我国制造业加速向高端转型,无论是激光、晶体、还是芯片、工业、机器人……各行各业都有着巨大的发展契机,此时我们比任何时候都更需要回到基础理论的源头,成就更多的“KBBF”,才能助力中国制造“打好翻身仗”。

上述文章摘自凤凰网,来源链接https://tech.ifeng.com/c/86r7bBZ91Mi