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发表于 2020-12-17 22:59
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晶体物理研究的奠基者
冯先生说:“我这一辈子可以用 10 个字来概括,即:读书, 教书, 写书和科研育人。前三者已在前面谈了不少,现在重点来讲我的科研和育人,因为这也是我科学生涯中的重要组成部分。”
自1958 年起, 冯端担任了金属物理教研组主任,领导了教研组的教学与科研。当全国大炼钢铁时,冯端却带领了一批学生在实验室里炼“钛”, 并在难熔金属单晶体制备以及位错观测方面取得了一些成绩。但后来在“文化大革命”中却受到了严厉的批判,被认为是理论脱离实际。1973年借“文革”开始“复课闹革命”的时机, 冯端建议将原金属物理教研组改为晶体物理教研组, 得到绝大多数同志的赞同。改名后的晶体物理教研组分为三个小组:晶体生长,晶体结构和缺陷, 晶体物理性质, 各个小组都有相应的实验室和承担相应的课程。闵乃本负责晶体生长小组,从事非线性光学晶体铌酸锂晶体的生长,并钻研晶体生长的理论, 开晶体生长的课程, 于1982年出版了《晶体生长的物理基础》这本专著。晶体结构与缺陷,由周衡南和李齐分别负责。李齐的晶体缺陷的章节, 略加修改后收入冯端主编的《材料科学导论》(2003年出版)一书之中。王业宁则负责晶体物理性质这一小组,由张杏奎承担讲课。王业宁主持研制声光调Q激光器, 为激光器倍频效率的测量提供了可能性。
“文革”期间对冯端的不公正批判, 使他开始考虑一些更加深入的问题:如何选择一个具体科研课题,既能提高科研人员的物理素养,又能解决激光技术的某些关键问题, 还必须是他们设备简陋的实验室里可以实现的。
1974年正值“文革”之中复课闹革命时期, 有一天冯端翻阅物理系书架上新到的一本美国刊物《Laser Focus》(此刊登载了有关激光发展的新闻),其中有一篇题为“光二次谐波增强效应”的新闻, 简述了C. F. Dewey和L. O. Hocker利用ZnSe天然的聚片孪晶,获得倍频光强随孪晶片数 N线性增加的报道。这一结果由于对聚片多畴的周期还没有精确控制,因而倍频光强还有改进的可能。回家后, 冯端查阅手头的一本 F. Zernike与J. E. Midwinter合著的《Applied Nonlinear Optics》(John Wiley & Sons, 1973, New York), 其中 $3.3节(第 58页, 见图 2)论述了准相位匹配方法, 扼要地介绍了布鲁姆伯根Bloembergen的准位相匹配理论;设想某一介质, 其非线性系数正负交替,片厚正好等于相干长度,聚片多畴结构可以实现倍频光强与N2成正比。冯端进一步查阅了Bloembergen的原始论文:Armstrong, J. A., Bloembergen, N., Ducuing, J. Pershan, P. S., Phys. Rev.,1962, 127:1918及Bloembergen, N., Sievers, A. J., Appl. Phys. Lett., 1970, 17:483, 进行了核实后,冯端在理论方面已经心中有数了。他在视察实验室中,发现生长的非线性光学晶体铌酸锂晶体的抛光表面的显微照片, 经常呈现条纹状正负交替的畴结构。1975年, 冯端访问中国科学院物理研究所晶体室(室主任为陆学善先生,当时陆坤权同志临时负责)时, 他曾简单介绍了用生长铌酸锂聚片多畴晶体来实现准位相匹配的设想。这也就是冯先生原始的idea。冯先生具有敏锐的洞察力, 善于捕捉国际科学上的前沿问题。
图6. Zernike和Midwinter合著的《Applied Nonlinear Optics》(John Wiley & Sons, 1973, New York)的第 58页
1976年“四人帮”被打倒以后,科学研究工作得以较正常地进行。冯端先生便指导闵乃本、 洪静芬等人开始这方面的工作, 终于通过掺杂和偏心旋转来加强旋转生长条纹以获得周期性聚片多畴铌酸锂晶体的有效途径, 并长出了能够实现准相位匹 配 理 论 预 期 的 聚 片 多 畴 晶体,并利用王业宁等研制的声光调Q钇铝石榴石激光器, 由朱劲松测量倍频效率,写出了论文《Enhancement of second – harmonic generation in LiNbO3 crystals with periodic laminar ferroelectric domains》。该文由冯端在上海国际激光学术会议上报告, 获得了国际知名学者, 美国加 州理工大学的A. Yariv教授与斯坦福大学R. L. Byer教授当场赞赏。Yariv教授还建议将文稿通过他投到Appl. Phys. Lett. 上发表, 这是他们研究组首次在国际刊物上发表论文(Appl. Phys. Lett., 1980, 37:607(见图3))。
图7. 冯端小组论文的首页
这篇文章从实验上验证了诺贝尔奖得主布鲁姆伯根关于非线性光学的准位相匹配理论, 实现了铌酸锂晶体的倍频增强效应, 从而在国际上领先开拓了非线性光学晶体微结构化这一新领域。随后,又于1985年在不能位相匹配的钽酸锂晶体中实现了准位相匹配,并研究了周期畴结构的形成机制。
以后冯端的学生们沿袭了他的思路和工作基础,延伸发展,在冯先生开辟的新领域里做出了许多可喜的成绩,取得了国家自然科学一等奖。
这段历程使冯端先生想起了20世纪科学大师卢瑟福(E. Rutherford)的一段经验之谈:“任何人要想突然做出惊人的发现, 这是不符合事物发展规律的。科学是一步一个脚印向前发展的,每个人都依赖前人的工作。当你听到一个突然的、 意想不到的发展,仿佛晴天霹雳时, 你永远可以确信, 它总是由一个人对另一个人的影响所导致的。正是由于这种相互影响,才使科学存在巨大的可能性。科学家并不依赖于某一个人的思想, 而是依赖于千万人的集体智慧,千万人思考着同一个问题, 每个人尽他一份力量。知识的大厦就是这样建成的。”
之后, 冯端先生又把研究目标放在凝聚态物理学与材料科学汇合处,做了大量开拓性的工作,为推动中国凝聚态物理的研究和发展起到了重要作用。1984年,冯端先生负责筹建南京大学固体微结构国家重点实验室,1986 年建成之后他即担任该实验室主任兼学术委员会主任, 领导其科研工作达十多年之久,奠定其在学术界的地位。该实验室的成就在国际知名刊物 Nature, Science与 Recherche上均有专文报导。1991-1995年冯端先生任中国物理学会理事长。1992-1996年, 严东生院士和冯端共同担任国家攀登计划《纳米材料科学》的首席科学家, 推动了我国纳米科学的进展。
这些科研成果和大量的优秀科技著作, 使冯端先生多次获得国家奖励, 诸如:1982 年国家自然科学奖二等奖,1995年国家自然科学奖三等奖,1996年何梁何利科技进步奖,1997年国家级教学成果一等奖,1999年陈嘉庚数理科学奖,1999年国家自然科学奖四等奖,2003年国家自然科学二等奖, 2004年国家自然科学二等奖,2005年国家级教学成果二等奖以及 2007年国家科技进步二等奖。1980年冯端当选为中国科学院院士(学部委员),1993年当选为第三世界科学院院士。
当笔者请冯先生谈一谈多年科研工作的最大体会时,先生笑着说:“任何成果的取得都与艰辛两字紧密相连的。科研工作实际上就是克服困难。如果一位科研人员能有打破一切障碍的勇气, 将他的全部精力用于他要解决的问题,锲而不舍地努力下去,必将取得有意义的结果。当然还要富有团结精神,团结众多的合作者,相互支持,共同奋斗。”
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