劉榮+曹麗娟

20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體激光研究在國(guó)際上迎來(lái)快速發(fā)展期，吸引了眾多科研人員關(guān)注，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（以下稱長(zhǎng)春光機(jī)所）研究員王立軍也在其中。

在美國(guó)西北大學(xué)做高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者期間，王立軍開(kāi)展了一種無(wú)鋁量子阱新材料結(jié)構(gòu)大功率激光器研究，取得多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先成果。而此時(shí)，國(guó)外卻對(duì)我國(guó)采取禁運(yùn)、限運(yùn)，限制我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

了解情況后，王立軍隨即回國(guó)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以“無(wú)鋁長(zhǎng)壽命量子阱激光器研究”為突破口，相繼攻克大功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)、芯片制備、器件封裝等單元技術(shù)，以及高密度激光陣列集成、高效率散熱、高效率激光合束等綜合技術(shù)，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率達(dá)瓦級(jí)的大功率垂直腔面發(fā)射激光。

這些成果提升了大功率激光器的使用壽命、電光轉(zhuǎn)化效率、可靠性等，在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，更填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，使我國(guó)相關(guān)研究走在了世界前列。

王立軍親歷了我國(guó)半導(dǎo)體激光研究從齊步到滯后、從跟蹤到部分先進(jìn)的跌宕起伏。近日，他接受本刊郵件專訪，談起奉獻(xiàn)了大半生的事業(yè)，他肯定了我國(guó)取得的成績(jī)，也指出了差距。總結(jié)起來(lái)就是——我們既不妄自菲薄，亦不妄自尊大。

（一）

記者：世界各國(guó)格外關(guān)注半導(dǎo)體激光是因?yàn)榭粗兴哪男﹥?yōu)點(diǎn)？

王立軍：半導(dǎo)體激光是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器件，除激光器的共同特點(diǎn)外，還具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小、重量輕、效率高、工作壽命長(zhǎng)、可靠性好；

2.可直接電調(diào)制，功耗低、電源故障低、使用安全、維修成本低；

3.易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成；

4.與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容，可大批量生產(chǎn)；

基于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體激光在世界上獲得了廣泛關(guān)注和研究，在通信、光存儲(chǔ)、醫(yī)療、顯示、加工等領(lǐng)域得以應(yīng)用，成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)值最大、最早走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商用化的一類激光器。

目前，半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有類型激光器之首，在某些重要領(lǐng)域甚至取代了傳統(tǒng)激光器。據(jù)《中國(guó)半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，全球半導(dǎo)體激光器的銷售規(guī)模已達(dá)到84億美元。

記者：我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研究經(jīng)歷了哪些階段？

王立軍：我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研究幾乎與國(guó)際同步，結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了半導(dǎo)體激光器的同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點(diǎn)以及量子級(jí)聯(lián)等發(fā)展階段；材料體系上從Ⅲ-V族的GaAs、InP等近紅外波段發(fā)展到紫外和中紅外波段；光電轉(zhuǎn)換效率也從20～30%提高到65～70%。

同時(shí)，半導(dǎo)體激光器從在液氮溫度下工作發(fā)展到室溫，甚至更高溫度范圍工作；從應(yīng)用于光通信的毫瓦小功率器件，發(fā)展到目前千瓦甚至萬(wàn)瓦，應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到了工業(yè)加工、成像探測(cè)、空間應(yīng)用等領(lǐng)域。

記者：這個(gè)過(guò)程中，我國(guó)半導(dǎo)體激光器研究取得了哪些成績(jī)？在國(guó)際上處于什么水平？

王立軍：1963年12月，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所與半導(dǎo)體所同時(shí)成功研制出的液氫溫度下GaAs二極管激光器，與當(dāng)時(shí)國(guó)際發(fā)展水平差距不到一年，是我國(guó)半導(dǎo)體激光的一個(gè)里程碑；1976年，長(zhǎng)春光機(jī)所研制的“山字臺(tái)型半導(dǎo)體激光器”獲全國(guó)科技大會(huì)獎(jiǎng)。

1995年我回國(guó)后，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展無(wú)鋁量子阱半導(dǎo)體激光器研究；1998年，808nm單管半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出3.6W，壽命突破5000小時(shí)；2004年，我們團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次研制出連續(xù)輸出功率1.95W的大功率垂直腔面發(fā)射激光器，6項(xiàng)主要指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先；2010年，又在國(guó)內(nèi)首次研制出千瓦高光束質(zhì)量大功率激光對(duì)抗光源。

…………

總體來(lái)說(shuō)，在上世紀(jì)60至70年代期間，我國(guó)半導(dǎo)體激光器水平與國(guó)際相當(dāng)，后來(lái)略滯后于國(guó)際，主要以跟蹤國(guó)際前沿為主。目前半導(dǎo)體激光器芯片外延生長(zhǎng)方面較為薄弱，但某些領(lǐng)域已處于國(guó)際先進(jìn)水平，尤其在半導(dǎo)體激光器封裝及集成方面，有較強(qiáng)的研發(fā)基礎(chǔ)和實(shí)力。

記者：這個(gè)方面我國(guó)主要存在哪些不足？

王立軍：近些年，我國(guó)在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域給予了大量政策扶持，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也取得了較快進(jìn)步。但由于整體投入不足，核心技術(shù)積累不夠，目前仍有許多高端半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)。

我國(guó)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)的部分技術(shù)已與國(guó)際同步，但還應(yīng)重視科研成果產(chǎn)業(yè)化。另外，在半導(dǎo)體激光器組成器件，尤其是核心零部件生產(chǎn)方面，我國(guó)目前依舊存在專利缺口。

（二）

記者：近些年各國(guó)紛紛布局大功率半導(dǎo)體激光器，為何大家都“迷戀”大功率？

王立軍：大功率半導(dǎo)體激光器是一類用途非常廣泛的電子器件，輸出功率高達(dá)百瓦、千瓦，甚至準(zhǔn)連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦以上，能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到50%以上。半導(dǎo)體激光器相對(duì)于其他激光器的最大特點(diǎn)就是波長(zhǎng)多樣性，而大功率激光器幾乎囊括整個(gè)650～1700nm波段。

目前，大功率半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光掃描、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域，以及激光制導(dǎo)、激光夜視等軍用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，前景非常廣闊，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件和核心支撐技術(shù)。

記者：您和團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的大功率半導(dǎo)體激光器研究獲得2011年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)，這個(gè)項(xiàng)目的具體研究經(jīng)歷是怎樣的？

王立軍：我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10年深入研究和攻關(guān)，在高功率、高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光光源方面取得了許多重大突破，達(dá)到世界先進(jìn)水平。其中包括獲得2011年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)的高功率激光合束及光束整形等系列核心技術(shù)。

項(xiàng)目研究耗時(shí)5年，實(shí)現(xiàn)了高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光輸出，攻克半導(dǎo)體激光合束等系列關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出發(fā)射波長(zhǎng)880nm、連續(xù)輸出1000瓦高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光對(duì)抗武器光源，成功應(yīng)用于某重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)；在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)出2600瓦高光束質(zhì)量高效節(jié)能半導(dǎo)體激光加工機(jī)光源，為產(chǎn)品的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)；解決了千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器散熱難題，開(kāi)發(fā)出42層6700瓦激光迭陣模塊。

我們通過(guò)激光線陣封裝、疊層封裝等技術(shù)，努力克服半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量差、快慢軸光斑嚴(yán)重不對(duì)稱、單元器件功率小、功率密度低等挑戰(zhàn)，解決了大部分難題，將功率提高到了千瓦級(jí)。

最終，我們獲得“多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置”和“大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器”2項(xiàng)發(fā)明專利，“半導(dǎo)體激光線陣及迭陣微通道熱沉化學(xué)清洗裝置”、“粗糙光型半導(dǎo)體激光器有源熱沉結(jié)構(gòu)及制備方法”等4項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利。

記者：能談?wù)勴?xiàng)目的應(yīng)用情況嗎？

王立軍：基于高功率半導(dǎo)體激光系列關(guān)鍵技術(shù)，我們開(kāi)發(fā)出了激光器單管、激光線陣模塊、激光迭陣模塊、面發(fā)射激光面陣模塊、激光合束光源5大系列、幾十個(gè)激光產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)上百家企業(yè)、科研院所得以應(yīng)用。

我們還與十余家公司合作，開(kāi)發(fā)出大功率半導(dǎo)體激光切割、焊接、3D打印等一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端裝備。2015年底，我們與相關(guān)單位共同出資創(chuàng)建公司，進(jìn)行半導(dǎo)體激光技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，先后開(kāi)發(fā)出光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、激光加工光源、激光醫(yī)療儀器等產(chǎn)品。

（三）

記者：大功率半導(dǎo)體激光團(tuán)隊(duì)成軍至今22年，您心中這是一支怎樣的隊(duì)伍？

王立軍：我所獲得的榮譽(yù)屬于長(zhǎng)春光機(jī)所和我的團(tuán)隊(duì)，榮譽(yù)背后都是大家共同的努力。我很滿意我的團(tuán)隊(duì)，他們令我很驕傲！

成軍22年，我們已經(jīng)成長(zhǎng)為一支知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)水平高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的研究隊(duì)伍，從五六人增加到現(xiàn)在的幾十人，有人負(fù)責(zé)在創(chuàng)新研究中出謀劃策，有人負(fù)責(zé)為半導(dǎo)體激光研制提供技術(shù)支持，兩方面交叉分工、相互支持，共同推動(dòng)項(xiàng)目的進(jìn)行和學(xué)科發(fā)展。

我們以不斷創(chuàng)新、前沿探索和滿足國(guó)家重大需求為己任，重視基礎(chǔ)研究，不斷部署半導(dǎo)體激光新思想、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的研究，承擔(dān)或參加多個(gè)重大、重點(diǎn)型號(hào)計(jì)劃任務(wù)，均取得了可喜成果。

我們始終秉承堅(jiān)持和踏實(shí)的科研精神，敢為天下先的創(chuàng)新精神，同甘共苦、共同奮斗的奉獻(xiàn)精神，齊心協(xié)作、埋首科研、精益求精，團(tuán)隊(duì)里洋溢著歡快輕松、又不失科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臍夥铡?/p>

記者：這支隊(duì)伍經(jīng)常拿獎(jiǎng)拿到“手軟”，有什么秘訣和高招嗎？

王立軍：根據(jù)國(guó)家需求確定團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)發(fā)展方向，結(jié)合研究領(lǐng)域發(fā)展的前瞻性和戰(zhàn)略性，確定團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性發(fā)展目標(biāo)，這就是我們培養(yǎng)、吸引、留住人才的法寶。我們以需求促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，強(qiáng)化前沿創(chuàng)新研究結(jié)果向國(guó)防和工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以國(guó)際先進(jìn)水平的半導(dǎo)體激光研究平臺(tái)和大功率半導(dǎo)體激光國(guó)際前沿研究為核心，吸引新一代研究人員加盟。

團(tuán)隊(duì)營(yíng)造開(kāi)放、流動(dòng)、競(jìng)爭(zhēng)、擇優(yōu)的環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)成員積極性，以學(xué)術(shù)水平、成果為核心對(duì)成員進(jìn)行考核，建立穩(wěn)定的技術(shù)支撐隊(duì)伍，保障科研工作的進(jìn)行。正因?yàn)檫@樣始終默契的合作，我們才能取得一個(gè)又一個(gè)成績(jī)。

記者：方便透露團(tuán)隊(duì)目前的在研項(xiàng)目嗎？

王立軍：近年來(lái)，我們開(kāi)展了激光在太空應(yīng)用的研究，同時(shí)承擔(dān)了國(guó)家重大儀器制造專項(xiàng)、綠色制造等項(xiàng)目，開(kāi)展激光檢測(cè)設(shè)備、激光智能制造、3D打印設(shè)備、激光醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

目前，我們還開(kāi)展新一代固體激光雷達(dá)三維掃描芯片研發(fā)，助力環(huán)境感知技術(shù)的突破。環(huán)境感知技術(shù)是機(jī)器人、自主駕駛車輛、無(wú)人機(jī)、災(zāi)害應(yīng)急救援等應(yīng)用中的重要領(lǐng)域之一，是識(shí)別、避障、成圖和定位的關(guān)鍵。激光三維掃描具有距離遠(yuǎn)（最高百公里）、精度高（毫米級(jí)）、成本低、非接觸、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)境感知的首選技術(shù)。這方面的研究意義重大，我們已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。

（四）

記者：您認(rèn)為我國(guó)半導(dǎo)體激光研究目前面臨哪些瓶頸？

王立軍：我國(guó)近些年在高功率、高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，單元器件的光纖耦合、半導(dǎo)體激光芯片封裝、半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)等也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

但是，在半導(dǎo)體激光器核心部件——半導(dǎo)體激光芯片的研制和生產(chǎn)方面，一直受外延生長(zhǎng)技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、器件制作工藝水平限制，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，依然依賴進(jìn)口，導(dǎo)致我國(guó)半導(dǎo)體激光器價(jià)格居高不下，嚴(yán)重影響大功率半導(dǎo)體激光器在我國(guó)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也限制了高功率光纖激光器的研制和開(kāi)發(fā)。

不過(guò)，值得高興的是，隨著我國(guó)LED、多結(jié)GaAs太陽(yáng)能電池、紅外熱成像器等化合物半導(dǎo)體器件的應(yīng)用和發(fā)展，化合物半導(dǎo)體器件外延和封裝技術(shù)不斷成熟。這些技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器，大大促進(jìn)了半導(dǎo)體激光器件的國(guó)產(chǎn)化，推動(dòng)這一高效、節(jié)能型激光器在我國(guó)工業(yè)、國(guó)防、科研等領(lǐng)域得到更廣泛地運(yùn)用。

記者：突破這些瓶頸，需要加強(qiáng)哪些方面的創(chuàng)新？

王立軍：高性能半導(dǎo)體激光器的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)瓶頸是制約我國(guó)激光科技和技術(shù)發(fā)展的因素之一，急需國(guó)家加大投入，解決以下核心問(wèn)題。

1.高性能半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)及工藝：需要解決超大光腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小腔面輸出功率密度，提高斜率效率和光電轉(zhuǎn)化效率。

2.腔面膜設(shè)計(jì)制備技術(shù)及工藝：需要深入研究無(wú)吸收窗口結(jié)構(gòu)和腔面鈍化技術(shù)，徹底解決半導(dǎo)體激光器的COMD難點(diǎn)問(wèn)題。

3.深入研究與壽命可靠性相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及工程化：建設(shè)可靠壽命測(cè)試?yán)匣桨负蜅l件，獲取產(chǎn)品光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等參數(shù)的變化，優(yōu)化前端工藝，分析、判斷技術(shù)工藝缺陷，不斷反饋校正，以滿足半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品化的相關(guān)指標(biāo)。

記者：您如何看待半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)？

王立軍：激光器是激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展核心，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的快速拓展，激光器尤其是半導(dǎo)體激光器的市場(chǎng)也在高速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的增速已遠(yuǎn)超其他領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于精細(xì)加工的半導(dǎo)體激光器，將會(huì)成為行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。