“中国牌”晶体的发现及其启示*

陈崇斌

（浙江师范大学科学教育系，浙江金华 321004）

非线性光学晶体是前沿科学研究和高技术产业应用中一种不可或缺的材料，其重要性堪比人类饮食中的食盐，虽少但不可被替代。目前，国际上已实用化的优质非线性光学晶体共有4 种，分别是BBO (偏硼酸钡)、LBO(三硼酸锂)、KBBF(氟代硼铍酸钾)、KTP（磷酸钛氧钾），其中KTP 晶体是美国杜邦公司发明的，其余3 种均是中国科学家依据原创理论指导发现的。这3 种晶体，BBO、LBO 在20 世纪90年代被国际学术界誉为“中国牌”晶体；KBBF对西方国家实行技术禁运，而且在2018 年被评为“中国科学院改革开放四十年40 项标志性重大科技成果”之一，[1]是当代中国最具代表性的原始创新案例之一。当前，中国科学研究正处于由跟踪西方先进研究向原始创新转变的历史时期，“中国牌”晶体的成功经验，无疑具有深刻的借鉴意义。鉴于此，文章基于历史文献，结合陈创天院士的访谈，回顾并总结这项研究的发展历程，以期得到有益的启示。

1 “中国牌”晶体发现的理论基础：阴离子基团理论

“中国牌”晶体的探索活动，始于中国科学家陈创天于20 世纪70 年代提出阴离子基团理论的原始创新。

1.1 阴离子基团理论形成的国际学术背景

非线性光学诞生于20 世纪60 年代。1961年，美国科学家弗兰克（Franken）等人利用波长为694.3 nm 的红宝石激光照射石英晶体，激光穿过晶体后出现了波长为347.2 nm 的倍频光（频率是入射激光的2 倍），这一发现标志着非线性光学的正式诞生。[2]非线性光学诞生后，寻找优质非线性光学晶体成了科学前沿研究的一个重要发展方向，科学家也提出了一系列科学理论来指导这项研究工作。

美国学者米勒（Miller）最早发现了二阶极化率（描述介质在强光场下非线性极化强度的物理量）对无对称中心结构晶体的非线性光学效应产生的重要影响，他于1964 年提出了半经验的Miller 规则，即通过测定二阶极化率来指导非线性光学晶体的探索活动。1968 年，美国贝尔实验室库尔兹（Kurtz）和派瑞（Perry）发明了能快速测量晶体粉末二阶极化率的倍频效应测试技术，其后便形成了晶体学界称之为“炒菜”式的晶体探索模式，即通过倍频测试、合成、性能等工序来寻找非线性光学晶体。[3]

“炒菜”式的晶体探索模式，由于缺乏理论上的预判，往往在晶体长成后才发现其非线性光学效应不够理想，耗时，费力，效率低下。为此，科学家开始从晶体微观结构与宏观性能间的内在联系出发，希望找到能指导晶体研究的理论依据。20 世纪60 年代后期，终于发现了微观结构仅含σ⁃键的非线性光学晶体的结构—性能关系，其代表性理论包括布鲁姆玻根（Bloembergen）等提出的非谐振子模型、杰格（Jeggo）等提出的键参数模型、莱文（Levine）提出的键电荷模型，等等。[4]到了70 年代，科学家发现，晶体的二阶极化率并非产生于σ⁃键链接的两个原子之间的定域价电子轨道，而是源于具有离域价电子轨道的基本结构单元，并由此建立了能反映非线性光学晶体微观结构与宏观性能之间的关系的理论，其代表性理论包括：凯姆拉（Chemla）关于共轭有机分子晶体的电荷转移模型；陈创天关于无机非线性光学晶体的阴离子基团理论。这些理论，在新型非线性光学晶体的发现过程中发挥了重要作用。

1.2 阴离子基团理论的形成

阴离子基团理论是中国科学家陈创天于20 世纪70 年代正式提出，其理论的推导与计算在1968 年就已基本完成。

为解释晶体非线性光学效应与基本结构之间的关系，陈创天首先提出两条假设：（1）晶体材料的非线性光学效应是一种局域化的效应，是入射光波与各阴离子基团中的价电子相互作用的结果，其宏观倍频系数是组成晶体的基本单元——阴离子基团微观倍频系数的几何迭加；（2）阴离子基团的微观倍频系数可以根据阴离子基团的局域化分子轨道利用量子力学的二级微扰理论计算出来，阳离子对晶体倍频系数的贡献在一级近似下可以忽略不计。

根据假设，陈创天选择当时已发现的钙钛矿型晶体钛酸钡（BaTiO3）为研究对象，根据其晶体结构构建了氧八面体MO6离子基团模型，然后从TiO6离子基团的准分子轨道及晶格场位能下TiO6的离子键轨道出发，对BaTiO3晶体离子基团的微观倍频系数进行了理论计算。计算结果显示，其理论推导值与实验测量值高度吻合，表明该理论模型能解释钙钛矿型晶体的非线性光学效应。[5]

接着，陈创天运用阴离子基团理论对碘酸锂晶体的非线性光学系数进行了计算，理论计算结果与实验值吻合程度较高，并指出IO3-1离子基团具有高度畸变的氧八面体结构，更有利于非线性光学效应的产生。[6]陈创天又计算了LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、BNN 晶体中畸变氧八面体阴离子基团的电光和倍频系数，计算结果与实验值的吻合度也非常好。[7]

BaTiO3等系列晶体电光和倍频系数理论计算的完成，标志着阴离子基团理论正式形成。

1.3 阴离子基团理论的完善

阴离子基团理论形成之时，主要困难在于应用量子力学二级微扰理论计算阴离子基团的微观倍频系数，陈创天最早计算BaTiO3晶体的电光与倍频系数时，运用手摇计算机计算了长达1 年多的时间。20 世纪80 年代，为了减轻计算工作量，陈创天等学者开始尝试利用计算机程序计算基团微观倍频系数。[8]在此基础上，陈创天的学生李如康将阴离子基团理论的计算方法编成了计算机程序，计算了具有π-共轭轨道平面结构的β-BaB2O4的倍频系数，计算结果与实验值高度吻合。[9]这些工作，不仅减轻了计算工作量、精确了计算结果，也进一步论证了阴离子基团理论的广泛适用性。

利用计算机程序，研究组还计算了阳离子对二阶极化率和折射率的贡献。计算结果显示，阳离子对二阶极化率和双折射的贡献仅为15%～20%，证明了理论计算忽略金属阳离子贡献的合理性，消除了阴离子基团理论存在的最后一点疑问。

2 BBO 晶体的发现

BBO 晶体，即低温相偏硼酸钡，是实现紫外光输出的一种优质非线性光学晶体，是中国科学家自主探索发现的第一种“中国牌”晶体。

2.1 提出自主探索新晶体主导思想

阴离子基团理论的提出为自主探索新型非线性光学晶体提供了理论根据，但下决心去开展相关工作却需要很大的勇气，因为跟踪国外已有研究毕竟是更可靠的方式，特别是在20世纪六七十年代中国科学技术水平还非常落后的情况下。在这样的背景下，卢嘉锡的胆识和决心起到了关键作用。

关于中国的晶体生长研究始于20 世纪60年代，在国家有关方面的组织下，中国科学院福建物质结构研究所、物理研究所以及上海硅酸盐研究所、山东大学、国家建材局人工晶体研究所（今北京中材人工晶体研究院有限公司）等多家单位相继开展了这项研究。到了70年代，国外已发现的众多激光晶体或非线性光学晶体，如Nd:YAG、KDP、ADP、LiNbO3等，中国科学家均已研制出来，而且生长出的晶体质量甚至超过了国外同类产品，但是这些工作都是跟踪国外开展的，中国还没有自主发现过新型晶体材料。1974 年，在第三次全国晶体生长学术会议上，卢嘉锡率先提出，福建物质结构研究所将自主开展非线性光学材料研究，以改变晶体生长研究始终跟踪国外的被动局面。为了表达开展自主探索的决心，他说：“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！即使下地狱，也要干！”[10]卢嘉锡的决定奠定了中国自主探索新晶体的思想基础，为BBO 等系列“中国牌”晶体的发现创造了条件。因此，在分析“中国牌”晶体研究能够取得成功的原因时，陈创天直言很大程度上是“卢先生的功劳”。①“陈创天访谈录音”，2010 年元月23 日上午，中国科学院理化技术研究所陈创天院士办公室。

2.2 确定硼酸盐晶体研究方向

1974 年，卢嘉锡任命陈创天为非线性光学材料研究组组长，开始了非线性光学晶体的自主探索历程。探索之初，基于阴离子基团理论揭示的规律，研究组选择具有氧八面体结构的晶体作为新型非线性光学晶体的探索方向。不久，他们决定改变研究方向。他们认为，美国科学家在这个领域具有非常明显的优势，如贝尔实验室发现了铌酸锂、钛酸锂等晶体，杜邦研究发展中心研制出了KTP 晶体，而中国的实验设施又远远落后，很难与美国的这些研究机构竞争。对于当时尚是研究热点的磷酸盐系统晶体，研究组认为其四配位的基团结构很难产生较好的非线性光学效应，也不宜作为新晶体的探索方向。

经过多方面的思考与分析后，研究组最终从晶体输出光波频段的角度找到了新的探索方向。当时已发现的铌酸锂、钽酸锂、KTP 等晶体输出的都是可见光，能输出紫外光的只有一种晶体——尿素，而尿素存在易潮解等缺陷。陈创天认为，在实现紫外光的输出方面，美国晶体学界尚无明显优势，对于中国来说，相对容易取得突破。经慎重考虑，研究组决定寻找能实现紫外光输出的新晶体。

1979 年起，研究组开始将研究重心转移到紫外非线性光学晶体的研制上。经过广泛调研，研究组发现五硼酸钾（KB5）也能实现紫外光的输出，但该晶体有效倍频系数太小，不是理想的非线性光学材料。但是，KB5的发现为研究组打开了思路，即在硼酸盐化合物中寻找新型紫外非线性光学晶体。经理论分析，研究组认为，硼酸盐化合物B-O 键的硼原子与氧原子间的电负性相差较大，存在透过紫外光甚至深紫外光的可能性；同时，硼酸盐化合物结构类型繁多，有数百种之多，为寻找新晶体提供了广阔空间。于是，研究组确定在硼酸盐化合物中寻找新型优质非线性光学晶体。

2.3 掺杂试验的意外结果

据阴离子基团理论，四配位的基团结构是五硼酸钾倍频系数小的主要原因，非四配位基团的硼酸盐化合物应该具有较大的倍频系数。因此，研究组自1979 年5 月开始在硼酸盐化合物中寻找具有非四配位基团结构的晶体。

1979 年8 月，该研究组找到了基于B3O6基团的偏硼酸钡晶体。理论分析表明，B3O6基团是π⁃共轭轨道平面结构，具有较大的二阶极化率，偏硼酸钡应该有很好的非线性光学效应。但是，他们最初找到的是高温相偏硼酸钡，其基本结构是有对称中心的，不能产生非线性光学效应。为此，研究组决定用硼酸钠（Na2B2O4）对偏硼酸钡进行掺杂处理，目标是用钠离子取代钡离子，打破高温相偏硼酸钡的对称结构。经过不断摸索，研究人员在钠与钡的摩尔比为4∶6 时合成出一种“新”的化合物，其粉末样品的非线性光学效应非常好。研究组认为取代反应取得了成功，将这种新物质命名为“偏硼酸钡钠”（BaB2O4· Na2O），并在同年苏州召开的晶体学会议上公布了这个结果。

1979 年底，研究组采用提拉法生长出了新物质的单晶。该单晶的化学分析表明，钠是微量元素，该物质应该仍是偏硼酸钡。这时研究组意识到对掺杂试验结果的判断可能有误，新物质中的氧化钠可能只是起到了助溶剂的作用。为此，研究组将新物质送到中国科学院物理所梁敬魁那里进行相图分析，测试结果表明，新晶体实际上是低温相偏硼酸钡，氧化钠确实只是起了助溶剂的作用。[11]与高温相偏硼酸钡有对称中心不同，掺入助溶剂后在925℃以下生长出的低温相偏硼酸钡不具有中心对称结构，具有很强的非线性光学效应。至此，具有紫外非线性光学性能的低温相偏硼酸钡(β-BaB2O4，简写为BBO)被真正发现。

2.4 美国学术权威的质疑与“超级晶体”的赞誉

经过4 年奋斗，1983 年底研究组采用溶剂法生长出了一块厘米级尺寸的BBO 单晶，其光学性能测试表明，该晶体的紫外吸收边达到了185 nm 左右，倍频系数是当时常用KDP 晶体的6 倍，双折射率较高，在紫外区有比KDP更宽的可匹配范围，适合做Nd:YAG 激光的二倍频、三倍频、四倍频材料。[12]

1984 年，在广州召开的国际激光学术会议上，陈创天首次报告了BBO 晶体的光学性能测试结果。因当时中国的科学技术水平十分落后，斯坦福大学激光专家拜尔（R.Byer）对BBO 晶体光学性能的真实性表示怀疑。1985年4 月，斯坦福大学晶体学专家范格尔逊（Fei⁃gelson）专程到福建物质结构所考察BBO 晶体的生长及性能测试情况，但仍然没有消除美国学者的怀疑。

1985 年12 月，为消除美国学者的质疑，应拜尔之邀，陈创天带着BBO 晶体到斯坦福大学进行光学性能测试。在斯坦福大学，中美两国科学家一起协作对BBO 晶体进行了系统的测试。当时美国的测试设备比较先进，晶体的各项测试数据均比在中国测试的数据更加优异。例如，利用锁模Nd:YAG 激光器实验时，当基波光的功率密度达到2 GW/cm2时，激光从1064 nm 到532 nm 倍频效应的能量转换效率达到84%，从532 nm 到266 nm 的倍频转换效率也达到了52%。使用这台激光器还实现了Nd:YAG 激光的5 次倍 频 效 应，从1064 nm 到213 nm 的总体转换效率也达到了11%。[13]看到测试结果，拜尔不由赞叹道：这真是块“超级晶体”（super crystal）。测试结束后，斯坦福大学方面专门为中美科学家的成功合作举办了庆祝会。庆祝会上，范格尔逊特意定做了一个大蛋糕，蛋糕上绘有中国地图，并特意标明了福建省福州市中国科学院福建物质结构研究所的位置，右下角是BBO 晶体的图样，左下角是中美科研合作的握手图样，以此表示对两国科学家合作成功的祝贺以及对中国科学家的敬意。[14]

1986 年，国际量子电子学（IQEC）和激光与光电子国际会议（CLEO）在斯坦福大学召开，陈创天在会议上报告了与斯坦福大学合作测定的BBO 晶体的光学性能数据。由于测试是在斯坦福大学进行的，此时没人再怀疑BBO 晶体的优越性能，报告引起了强烈反响，BBO 晶体的盛名开始在世界范围内传播开来。

BBO 晶体的成功引起了美国激光学术界对晶体研究的反思。1986 年4 月，美国非线性光学和激光材料领域的48 位顶尖科学家，在马里兰州的安纳波利斯市召开会议，形成了一份《关于非线性光学材料研究的评估报告》（Research on nonlinear optical materials : an assessment）。报告指出：“当时国际上最先进的非线性光学材料BBO 晶体出自中国，表明在该领域美国已落后于中国，希望美国政府能充分重视非线性光学材料研究并给予更大的支持。”[15]这份报告表明，中国的晶体研究已经走到了当时的国际前列。

3 LBO 晶体的发现

BBO 晶体的成功并没有让陈创天感到满足。陈创天认为，BBO 晶体虽然实现了紫外光的输出，但还不能实现深紫外光(即波长短于200 nm 激光)的输出。于是，他领导团队开始寻找能实现深紫外光输出的非线性光学晶体，并于1987 年发现了LBO 晶体。

在LBO 晶体的发现过程中，陈创天的博士研究生吴以成做出了重要贡献。吴以成首先对上千种硼氧化合物的硼氧基团结构分析归类，从中归纳出10 种最基本的硼氧基团结构单元。陈创天、吴以成等运用阴离子基团理论分析了这些基本硼氧基团结构的微观倍频系数，结果表明：在硼酸盐系统的BO3、BO4、B3O6、B3O7、B3O8、B3O9等孤立硼氧基团中，平面BO3基团有较大的微观倍频系数，而四面体BO4基团的微观倍频系数相对小得多；B3O6基团由3 个BO3基团构成，最有利于产生大的倍频效应；B3O7基团含有两个BO3基团，也有利于产生倍频效应；B3O8基团只含有一个BO3基团，其微观倍频系数比B3O7基团的小，而B3O9基团全部由BO4基团构成，不利于产生倍频效应。[16]这些理论分析，为探索新晶体指明了方向。

陈创天进一步分析了B3O6基团的微观结构。他认为，B3O6基团受π 轨道能隙限制，最大能隙只能达到190 nm，这和晶体实际测量的紫外截止波长（185 nm）几乎是一致的，这是BBO 晶体不能输出深紫外光的根本原因。基于以上理论分析，陈创天提出在B3O6基团中加入一个四配位硼，形成B3O7基团，此基团不但有和(B3O6)3-基团同等大小的微观倍频系数，而且基团的能隙可能达到152 nm，有实现深紫外光输出的可能性。

在这个思想指导下，吴以成很快找到了基于B3O7基团的三硼酸锂LiB3O5(简称LBO)。经化合物合成、倍频性能测试、物相分析等大量工作，研究组在1987 年终于成功生长出了LBO 晶体。经实验测定，LBO 晶体的有效倍频系数与理论计算完全一致，紫外透光性能比BBO 更加优越。[17-18]基于B3O7基团的理论分析，吴以成还发现了CBO 晶体，日本科学家Sasaki 发 现 了CLBO 晶 体。

4 KBBF 晶体的发现

然而，LBO 晶体并没有实现低于200 nm波长深紫外光的输出，这是因为LBO 晶体的截止边虽然可以达到深紫外波长155 nm，但它的双折射率太小，只有0.045，还是无法实现深紫外光的输出，甚至连Nd:YAG 激光的四倍频266 nm 紫外光都不能输出。为了实现深紫外光的输出，陈创天团队开始了新一轮的艰苦探索。

4.1 发现KBBF 晶体的理论分析

为了实现深紫外光的输出，陈创天带领团队将研究目标转向BO3基团。理论分析表明，当BO3基团上三个终端O 原子与Be、B 等原子相连时，基团的悬挂键能被消除，其带隙能可以达到150 nm，同时BO3基团在晶胞中共平面排列时，晶体将具有较大的双折射率和二阶倍频系数。由此，研究组提出新晶体的结构应该满足三个条件：（1）BO3基团的悬挂键要中和（也就是和其他原子相连）；（2）BO3基团要保持在同一平面上；（3）BO3基团的密度要足够大，密度大，非线性光学效应才会大。[19]

根据新晶体的三个结构判据，李如康、夏幼南于1987-1988 年找到了KBBF（KBe2BO3F2）晶体。经计算，KBBF 晶体的紫外截止边波长为150 nm，双折射率为0.083～0.088，与理论分析结果相符，其倍频系数与BO3基团的贡献值也非常吻合，是实现深紫外光输出的理想材料。于是研究组开始合成这种化合物。[20]

4.2 晶体生长的10 年艰苦探索与200 nm“紫外壁垒”的突破

KBBF 晶体是层状结构，两层之间没有化学键链接，其层状特性非常严重，晶体沿z 轴方向很难生长。正是这个原因，研究组自1990 年开始进行晶体生长研究，艰苦摸索10 年，直到2000 年在晶体生长方面还没取得突破，生长出的晶体的大小和厚度迟迟达不到实验测试的基本要求，甚至达不到毫米量级。2000 年，为了解决晶体生长的困难，陈创天决定同山东大学晶体研究所蒋民华团队合作，希望利用他们在熔剂法单晶生长方面的丰富经验，尽快实现KBBF 单晶生长技术的突破。经通力合作，研究团队于2002 年初成功生长出了沿z 轴方向厚度达到1.8 mm 的KBBF 单晶。

因KBBF 存在严重的层状性能，难以斜面切割制作器件，所以在与蒋民华团队合作开展晶体生长研究的同时，陈创天还和中国科学院物理研究所许祖彦合作开展了KBBF 薄单晶的应用研究，开发出了应用KBBF 单晶的激光变频棱镜耦合技术。2002 年3 月，他们利用已研制出的沿Z 轴方向厚度为1.8 mm 的KBBF单晶，制作出第一个光接触KBBF-CaF2棱镜耦合器件。

2003 年，为了探索这个器件的非线性光学性能，陈创天同日本东京大学的科研机构合作，利用日本的先进激光装置，采用倍频方法在实验中实现了Nd:YAG 激光的6 倍频（波长为177.3 nm）深紫外光的输出，突破了被国际学界称作“紫外壁垒”的200 nm 界限。[21]KBBF晶体开始迈入实用化阶段。

4.3 对西方国家技术禁运的高技术产品

技术禁运，是指西方发达国家为维持其在科学与技术上的领先地位，采取禁止向发展中国家出售高技术产品的一种措施。长期以来，中国一直是被西方国家实行技术禁运的国家之一，美国对KTP 晶体的出售限制可反映出这种技术禁运的严厉程度。KTP 晶体是美国科学家于20 世纪70 年代中期发现的一种优质非线性光学材料，因其在科学研究、军事等方面的广泛应用前景，被发现后便对中国实行技术禁运。20 世纪80 年代初，天津大学姚建铨到美国进修，在购买KTP 晶体无望的情况下，开口向美国同行要一块已打碎的KTP 晶体碎片，然而美国同行的回答是：“不行，KTP 是美国军方资助的项目，对共产党国家禁运，碎片也不许带出实验室！”[22]在西方国家如此严厉的技术禁运政策下，中国在高技术领域只能一点点去摸索，但由于科学技术整体水平比较落后，绝大多数领域都很难在短时间内取得突破，难以缩小与发达国家的距离。因此，技术禁运政策成了制约中国科学技术进步的严重阻碍。当前美国与中国存在着巨大的贸易逆差，即便如此，美国仍不愿放松，且逐渐加大对中国的高技术禁运。

KBBF 晶体棱镜耦合器件研制成功后，其输出的深紫外光在前沿科学领域和光刻技术领域显示出非常广阔的应用前景。在前沿科学领域，中日两国科学家利用KBBF-CaF2棱镜耦合器件，合作研制出具有超高能量分辨率、角分辨的光电子能谱仪。日本科学家通过该光电子能谱仪直接观察到了CeRu2超导单晶在超导态时cooper 电子对的形成；中国科学院物理所周兴江研究组利用陈创天、许祖彦研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，首次观察到高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8在超导态时的一种新的电子耦合模型。在光刻技术领域，深紫外光的成功输出为193 nm 光刻技术的应用提供了可能。2008 年，基于KBBF 器件在前沿科学和光刻技术领域的广阔应用前景，中国科学院决定暂时不向西方国家出售KBBF 晶体器件，KBBF 晶体器件也因此成了对西方发达国家实行技术禁运的高技术产品。

5 “中国牌”晶体研究成功的启示

关于“中国牌”晶体研究成功的原因，陈创天认为可以归功于国家的长期支持、非功利主义的科研态度等多方面的因素，虽然直言其经历“不可复制”，但这些因素对今日中国之科学研究有非常深远的借鉴意义。[23]

5.1 重视基础理论创新

重视基础理论创新是“中国牌”晶体研究过程中留给人们最直观的启示。BBO、LBO、KBBF 等系列优质非线性光学晶体的成功发现，主要得益于原创科学理论——阴离子基团理论的指导。

在吴以成发现三硼酸锂（LBO）的同一时期，LBO 晶体——四硼酸锂也是国际晶体学界研究的热点。四硼酸锂是一种压电晶体，非线性光学效应很差。鉴于这两种LBO 晶体性能反差巨大，在三硼酸锂被发现后，美国利弗莫 尔（Livermore）实 验 室 艾 莫 尔（David Ei⁃merl）不解地问陈创天：从晶体是否容易生长的角度出发，应该生长四硼酸锂，而不是三硼酸锂，为什么你们会去生长三硼酸锂呢？陈创天告诉他：这是因为我们有阴离子基团理论的指导，在决定生长三硼酸锂前，我们已经运用该理论对B4O9、B3O7等各种硼氧基团的倍频系数进行了计算，已明确知道基于B3O7基团的三硼酸锂比基于B4O9基团的四硼酸锂非线性光学性能要好。这段轶事，揭示了阴离子基团理论在新晶体探索中发挥的重要作用。实际上，在阴离子基团理论的指导下，陈创天团队发现的非线性晶体远非BBO、LBO、KBBF 这3 种，而是几个系列，共有20 多个品种。

BBO、LBO、KBBF 等系列“中国牌”晶体的发现，揭示了基础理论创新在前沿科学探索中的关键作用。当前，中国科技水平仍与西方发达国家存在较大差距，突出表现就是原始创新不足，像“中国牌”晶体这样的创新案例还非常少。“要创新就必须有自主的科学思想，只有有了自己的科学思想，才能获得自己的成果，才能自立于世界民族之林”。[24]陈创天的这段感言提醒我们，要全面提高中国科学技术水平,必须加倍重视基础理论创新。

5.2 营造宽松的科研环境

谈及“中国牌”晶体的成功，陈创天把“国家的长期支持”作为非常关键的一个因素。

“国家的长期支持”，研究资金的支持仅仅是一个方面，更重要的是为晶体研究营造了一种相对宽松的科研氛围。人工晶体生长研究周期长，以“中国牌”晶体的探索为例，BBO 的发现过程、KBBF 晶体的实用化过程都经历了10多年的时间。如此长的研究周期，无论是对管理机构而言，还是对研究人员而言，都需要足够的耐心，都需要摒弃急功近利的思想倾向。难能可贵的是，中国自20 世纪60 年代初期开始就重视晶体生长研究，但并没有为晶体生长研究设定期限和指标，营造了一种相对宽松的科研氛围。陈创天，1962 年大学毕业，1965 年才开始科研选题，即使在“文化大革命”期间的1968-1969 年还能在家里进行阴离子基团理论的推导与计算，享有充分的科学研究“自由”，这为他提出阴离子基团理论创造了良好外部环境。

与晶体生长研究相似的是，基础理论研究也具有周期长、结果难以预期的特点，同样需要一个相对宽松的科研环境，让科研人员能够静下心来坐“冷板凳”。这种环境，“从科学界来说，就是希望给中国的科学家，特别是工作在第一线的中国科学家更多的自主权，让他们敞开思想的大门,让他们有权按照自己的科学思想,组织科研队伍,长期坚持研究,大幅度减少行政部门对他们的干预”。[24]可喜的是，科学家的这个愿望已得到了国家的高度重视，2019 年国务院专门出台《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，其中第一条就是要“创新体制机制，增强创新活力，特别是要使科研人员能够潜心、长期从事基础研究”。希望有关方面充分借鉴“中国牌”晶体的成功经验，尊重理论研究周期较长的客观规律，为科研人员营造一个相对宽松、自由的科研环境。

5.3 强化基础学科教学，促进创新人才成长

关于“中国牌”晶体的成功因素，最值得回味和引起思考的还是陈创天那句“今天其他人很难复制我”的感叹。

陈创天所言之“很难复制”，主要针对其学术成长经历而言。非线性光学晶体的研制，本身是交叉学科，涉及物理、化学两个基础学科，同时需要晶体生长方面的实践，陈创天在三个方面都有很扎实的学术积累。大学时期，陈创天就读于北京大学物理系，学习的是理论物理专业。当时有一批著名物理学家在该系任教，黄昆讲授固体物理，王竹溪讲授热力学和统计物理，郭敦仁讲授特殊函数，褚圣麟讲授原子物理，胡宁讲授场论。得益于这些名师良好的学术训练，陈创天打下了非常扎实的理论物理基础，自言“从不会在物理概念上犯错误”。大学毕业后，陈创天到福建物质结构研究所工作，又在著名化学家卢嘉锡的指导下学习了结构化学、量子化学、群表示理论等化学基础理论。“文化大革命”期间，他又在实验室参与了晶体生长的实践活动。很少有人会像他那样同时接受物理、化学两个基础学科的双重理论学习，更难有机会亲历卢嘉锡、黄昆等这么多一流科学大师的专业学术训练，所以陈创天感叹“今天其他人很难复制我”。

实际上，陈创天“很难复制”的学术经历，得益于卢嘉锡卓越的人才培养方式。1960 年，卢嘉锡创立中国科学院福建物质结构研究所之初，基于晶体材料研究涉及物理、化学两个基础学科的事实，就提出了“理论与实践、物理与化学、结构与性能多重结合”的研究思路。[25]在这样的思路指导下，卢嘉锡从北京大学选来了理论物理专业出身的陈创天，并花了3 年时间对其进行理论化学的学术训练。物理、化学两个学科的理论学习，加上后来的晶体生长实践，陈创天的学术经历，完全实现了卢嘉锡最初“物理与化学结合、理论与实践结合”的设想。可以说，是卢嘉锡的精心规划与培养，让陈创天成长为非线性光学晶体研究的领军人物。

陈创天的“很难复制”的学术经历，对于今天创新人才的培养，有很好的借鉴意义。当前，前沿科学研究最活跃的领域多为交叉学科，专业界限分明的传统课程学习很难满足前沿科学研究对多学科知识的需求。借鉴陈创天“很难复制”的学术经历，高等教育在研究生教育阶段可以有意识地进行跨专业招生，以培养多学科融合的基础研究人才，适应前沿交叉学科研究的需要。

6 结语

2009 年，Nature杂志亚洲事务记者大卫·希拉诺斯基（David Cyranoski）以《中国藏匿的晶体》为题专文介绍了KBBF 晶体的研究现状。希拉诺斯基深入调查后认为，在这个领域，中国科学家有原创科学理论——阴离子基团理论的指导，有材料合成、晶体生长、性能测试等一系列严谨的新晶体研制程序，并且在长期的晶体探索过程中形成了一支理论扎实、技术精湛、分工明确、实力雄厚的研究团队，“其他国家很难在短时间内缩小与中国的差距”。[26]这个论断，充分显示了“中国牌”晶体研究的国际领先地位，也阐明了原创科学理论在前沿科学研究中的重要作用。当前，中国整体科学技术水平仍落后于西方发达国家，在很多领域仍遭受着西方国家严厉的技术禁运，唯有像“中国牌”晶体研究那样从理论创新出发，才能真正取得国际一流的研究成果，真正赶超西方发达国家。希望有关方面借鉴“中国牌”晶体的成功经验，大力推进原始理论创新，用国际一流的科研成果助推中华民族的伟大复兴。

后记：2018 年1 月，鉴于在“中国牌”晶体探索中的卓越贡献，陈创天被提名为2018 年度国家最高科学技术奖候选人。2018 年10 月31 日，陈创天去世。谨以此文向他致以最崇高的敬意！