見證光電的神奇力量

李佳

2002年，在國際研究量子級聯(lián)激光器的領(lǐng)域發(fā)生了兩件具有“里程碑”意義的大事：一是中紅外量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)了室溫連續(xù)波工作；二是實現(xiàn)了太赫茲量子級聯(lián)激光材料的激射。這在當時引起了巨大轟動。

就在這一年，2002年6月，劉俊岐進入中國科學院半導(dǎo)體所材料科學重點實驗室工作，自此拉開他對電磁波研究的追逐賽。

伯樂難遇，千里馬難求

童年就夢想當一名工程師的劉俊岐，本科畢業(yè)于河北工業(yè)大學材料學院金屬材料專業(yè)。一次偶然的工作機遇讓他在做畢業(yè)論文時轉(zhuǎn)到了半導(dǎo)體材料。而正是這次偶然，成就了劉俊岐這匹“千里馬”。

談到只指導(dǎo)自己論文半年時間的“伯樂”張維連教授，劉俊岐滿是感恩。劉俊岐安靜、踏實的性格和在專業(yè)上的超強悟性讓張維連教授覺得他是一個難得的人才，極力推薦他報考中國科學院半導(dǎo)體研究所。2002年，如導(dǎo)師所愿，劉俊岐順利考上了。讀研時師從劉峰奇，并得受于德高望重的王占國院士的領(lǐng)導(dǎo)。而劉峰奇研究員率領(lǐng)的量子級聯(lián)課題的研究在當時已取得了較好成果，在國際上也享有較高知名度。面對這一切“必然”的到來，劉俊岐卻謙遜地說是自己比較“幸運”。

博士階段，劉俊岐主要做砷化鎵（GaAs）基的中遠紅外量子級聯(lián)材料研究，承擔了一些國家科研項目，以基礎(chǔ)研究為主，做相關(guān)器件研制。在這期間，研制出亞洲第一個GaAs/AlGaAs量子級聯(lián)激光器。關(guān)于量子級聯(lián)材料研究，劉俊岐說，首先要明白何為量子級聯(lián)激光器（QCL）。據(jù)劉俊岐詳細介紹，QCL是一種基于子帶間電子躍遷的中遠紅外波段單極光源，其工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級串接組成而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。

工作初期，最讓劉俊岐感到滿意的就是在主持國家“863”項目“垂直面發(fā)射中紅外單模激光器研究”時取得的成果：實現(xiàn)了世界上功率最高的垂直面發(fā)射量子級聯(lián)激光器，最高峰值功率3.68W，室溫工作時都超過了1W。而當時項目指標要求是100mW。在這項研究中，劉俊岐和團隊創(chuàng)新性地引入了金屬表面等離子體增強的垂直面發(fā)射技術(shù)，研究的相關(guān)文章發(fā)表后在國內(nèi)外引起了非常高的關(guān)注。

實現(xiàn)太赫茲光

隨著太赫茲源、檢測技術(shù)及相關(guān)元器件的突破，太赫茲波一系列獨特的優(yōu)越特性被發(fā)現(xiàn)并顯示出巨大的潛在應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)已成為對現(xiàn)代科學技術(shù)、國民經(jīng)濟、國防建設(shè)等領(lǐng)域具有重要影響的非?；钴S的前沿學科，世界各國政府都對其發(fā)展高度重視。

在2004年，美國政府就已將太赫茲技術(shù)評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，日本在2005年1月更是將太赫茲技術(shù)列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標”之首，舉全國之力進行研發(fā)。我國政府也在2005年12月召開香山科學會議上，邀請國內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專家們齊聚一堂，討論我國太赫茲事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國太赫茲技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。

隨著科研條件的逐漸完善，2005年，劉俊岐的研究也從中遠紅外量子級聯(lián)激光器擴展到太赫茲。

太赫茲（THz）波是指頻率從0.1THz到10THz，波長大概在0.03mm到3mm范圍，介于毫米波與紅外光之間，涵蓋了亞毫米波及遠紅外光區(qū)域。太赫茲波兼有微波毫米波與紅外可見光兩個區(qū)域的特性，同時又與其他波段的電磁波具有非常強的互補性。作為一種新型光源，太赫茲波的安全性、寬帶性、“指紋譜性”、穿透性等獨特性質(zhì)在物理、化學、生物醫(yī)學等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及材料、航天、國家安全等技術(shù)領(lǐng)域具有重大的科學價值和廣闊的應(yīng)用前景，如高分辨率成像、射電天文探測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學診斷、材料表征、衛(wèi)星通信、安全檢查等。

而發(fā)展太赫茲技術(shù)，要解決三個問題。劉俊岐介紹說：“第一個是解決太赫茲的材料問題，第二個是做器件的工藝，第三個是測試系統(tǒng)的建立。”盡管道路比較困難，但在不斷積累和堅持下，從材料制作到器件完成，從完善工藝到建立測試系統(tǒng)，劉俊岐和團隊克服種種障礙，最終實現(xiàn)了應(yīng)用。2006年，團隊在前期研究基礎(chǔ)上研制出GaAs體系太赫茲量子級聯(lián)激光材料。2010年元旦過后，激光器終于研制成功了！劉俊岐如釋重負。

任何科研成績的獲得都離不開長期思索、忍耐和勤奮，讓劉俊岐最難忘的則是偶然的一剎那。同是2010年元旦過后，當劉俊岐盯著屏幕檢測光譜信號的時候，一道光從他眼前剎那閃過。頓時，整個實驗室沸騰起來。劉俊岐不敢相信自己的眼睛，4年，1400多個日日夜夜的等待，不知重復(fù)過多少次，失敗過多少次。對于太赫茲光的實現(xiàn)，如今的劉俊岐卻很釋然，笑著說這是一次“偶然”的成功。

打破儀器設(shè)備研制的壟斷

科學儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新是科技自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)與重要保障，是衡量一個國家科技水平和科技綜合競爭能力的重要標志。太赫茲儀器設(shè)備在物理學、生物醫(yī)學、材料科學、通信和雷達等領(lǐng)域也存在廣泛需求。同時，我國在太赫茲源研制技術(shù)，諸如量子級聯(lián)激光器技術(shù)等方面經(jīng)過長期積累已具備了較好的基礎(chǔ)，開展太赫茲科學儀器設(shè)備研究的時機已經(jīng)成熟。

2011年，我國設(shè)立了國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項，以相干強太赫茲源科學儀器設(shè)備開發(fā)為突破口，解決制約我國太赫茲技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”問題，以打破國外高端技術(shù)及設(shè)備壟斷局面。

此時我國已經(jīng)掌握了太赫茲量子級聯(lián)激光器技術(shù)，研制基于半導(dǎo)體太赫茲激光器的全息成像設(shè)備是此次開發(fā)專項的一個重要內(nèi)容。在這一專項開發(fā)中，劉俊岐的團隊主要負責核心部件太赫茲量子級聯(lián)激光器的研制。該項目對器件連續(xù)波功率、器件功耗、光束質(zhì)量都提出了近似苛刻的要求。因為器件工作在低溫下，制冷機制冷量有限，要求器件在具有較大功率的情況下功耗要盡可能低。同時，太赫茲光路復(fù)雜，要求激光器光束質(zhì)量要好。經(jīng)過一次又一次的試驗，劉俊岐和團隊在材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)上做了重大改進。團隊最終在實驗室實現(xiàn)太赫茲量子級聯(lián)激光器最高連續(xù)波輸出功率超過160mW，成為了國際最高指標。在此基礎(chǔ)上針對全息成像設(shè)備研制的器件也完全滿足系統(tǒng)應(yīng)用。

騏驥一躍，功在不舍。對于科研，劉俊岐認為第一要自信，相信自己做的東西一定有用；第二是堅持；第三離不開團隊的協(xié)作。面對所取得的已達國際先進水平的科研成果，劉俊岐最大的心愿的是，希望“把科研成果轉(zhuǎn)化成應(yīng)用，發(fā)揮社會價值”。相對于美國、歐洲、日本公司在市場上的科技轉(zhuǎn)化，我國企業(yè)在此方面的發(fā)展則顯得比較緩慢。而這一方面要靠國家的推動，一方面也靠宣傳推廣出去。最后，劉俊岐滿懷期待地說：“希望有責任有擔當?shù)墓窘槿?，科技成果要走出實驗室”?/p>