不妄自菲薄，亦不妄自尊大

劉榮+曹麗娟

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

在美國西北大學(xué)做高級訪問學(xué)者期間，王立軍開展了一種無鋁量子阱新材料結(jié)構(gòu)大功率激光器研究，取得多項國際領(lǐng)先成果。而此時，國外卻對我國采取禁運、限運，限制我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

了解情況后，王立軍隨即回國，帶領(lǐng)團(tuán)隊以“無鋁長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、材料生長、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)，并在國際上首次實現(xiàn)連續(xù)輸出功率達(dá)瓦級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，在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，更填補了國內(nèi)空白，使我國相關(guān)研究走在了世界前列。

王立軍親歷了我國半導(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)，他肯定了我國取得的成績，也指出了差距。總結(jié)起來就是——我們既不妄自菲薄，亦不妄自尊大。

（一）

記者：世界各國格外關(guān)注半導(dǎo)體激光是因為看中它的哪些優(yōu)點？

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外，還具有以下顯著優(yōu)點：

1.體積小、重量輕、效率高、工作壽命長、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，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、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、最早走出實驗室實現(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)《中國半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)報告》統(tǒng)計，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：我國半導(dǎo)體激光器的研究經(jīng)歷了哪些階段？

王立軍：我國半導(dǎo)體激光器的研究幾乎與國際同步，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、量子點以及量子級聯(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，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瓦，應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到了工業(yè)加工、成像探測、空間應(yīng)用等領(lǐng)域。

記者：這個過程中，我國半導(dǎo)體激光器研究取得了哪些成績？在國際上處于什么水平？

王立軍：1963年12月，中科院長春光機所與半導(dǎo)體所同時成功研制出的液氫溫度下GaAs二極管激光器，與當(dāng)時國際發(fā)展水平差距不到一年，是我國半導(dǎo)體激光的一個里程碑；1976年，長春光機所研制的“山字臺型半導(dǎo)體激光器”獲全國科技大會獎。

1995年我回國后，在國內(nèi)率先開展無鋁量子阱半導(dǎo)體激光器研究；1998年，808nm單管半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)連續(xù)輸出3.6W，壽命突破5000小時；2004年，我們團(tuán)隊在國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項主要指標(biāo)達(dá)國際領(lǐng)先；2010年，又在國內(nèi)首次研制出千瓦高光束質(zhì)量大功率激光對抗光源。

…………

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

記者：這個方面我國主要存在哪些不足？

王立軍：近些年，我國在半導(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)體激光器市場被國外產(chǎn)品占據(jù)。

我國半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)的部分技術(shù)已與國際同步，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，我國目前依舊存在專利缺口。

（二）

記者：近些年各國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)體激光器相對于其他激光器的最大特點就是波長多樣性，而大功率激光器幾乎囊括整個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、激光測距、激光存儲、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，是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(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)隊開展的大功率半導(dǎo)體激光器研究獲得2011年國家技術(shù)發(fā)明獎，這個項目的具體研究經(jīng)歷是怎樣的？

王立軍：我們團(tuán)隊經(jīng)過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年國家技術(shù)發(fā)明二等獎的高功率激光合束及光束整形等系列核心技術(shù)。

項目研究耗時5年，實現(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)，開發(fā)出發(fā)射波長880nm、連續(xù)輸出1000瓦高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光對抗武器光源，成功應(yīng)用于某重點型號任務(wù)；在國內(nèi)首次開發(fā)出2600瓦高光束質(zhì)量高效節(jié)能半導(dǎo)體激光加工機光源，為產(chǎn)品的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)；解決了千瓦級半導(dǎo)體激光器散熱難題，開發(fā)出42層6700瓦激光迭陣模塊。

我們通過激光線陣封裝、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。

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項授權(quán)發(fā)明專利。

記者：能談?wù)勴椖康膽?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、幾十個激光產(chǎn)品，在國內(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)隊成軍至今22年，您心中這是一支怎樣的隊伍？

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

成軍22年，我們已經(jīng)成長為一支知識結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)水平高、創(chuàng)新能力強的研究隊伍，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，共同推動項目的進(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)或參加多個重大、重點型號計劃任務(wù)，均取得了可喜成果。

我們始終秉承堅持和踏實的科研精神，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：這支隊伍經(jīng)常拿獎拿到“手軟”，有什么秘訣和高招嗎？

王立軍：根據(jù)國家需求確定團(tuán)隊重點發(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，強化前沿創(chuàng)新研究結(jié)果向國防和工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以國際先進(jìn)水平的半導(dǎo)體激光研究平臺和大功率半導(dǎo)體激光國際前沿研究為核心，吸引新一代研究人員加盟。

團(tuán)隊營造開放、流動、競爭、擇優(yōu)的環(huán)境，充分調(diào)動成員積極性，以學(xué)術(shù)水平、成果為核心對成員進(jìn)行考核，建立穩(wěn)定的技術(shù)支撐隊伍，保障科研工作的進(jìn)行。正因為這樣始終默契的合作，我們才能取得一個又一個成績。

記者：方便透露團(tuán)隊目前的在研項目嗎？

王立軍：近年來，我們開展了激光在太空應(yīng)用的研究，同時承擔(dān)了國家重大儀器制造專項、綠色制造等項目，開展激光檢測設(shè)備、激光智能制造、3D打印設(shè)備、激光醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)。

目前，我們還開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)是機器人、自主駕駛車輛、無人機、災(zāi)害應(yīng)急救援等應(yīng)用中的重要領(lǐng)域之一，是識別、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）、成本低、非接觸、抗干擾等優(yōu)點，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)為我國半導(dǎo)體激光研究目前面臨哪些瓶頸？

王立軍：我國近些年在高功率、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，一直受外延生長技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、器件制作工藝水平限制，國產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命與國外先進(jìn)水平差距較大，依然依賴進(jìn)口，導(dǎo)致我國半導(dǎo)體激光器價格居高不下，嚴(yán)重影響大功率半導(dǎo)體激光器在我國的推廣應(yīng)用，同時也限制了高功率光纖激光器的研制和開發(fā)。

不過，值得高興的是，隨著我國LED、多結(jié)GaAs太陽能電池、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)體激光器件的國產(chǎn)化，推動這一高效、節(jié)能型激光器在我國工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域得到更廣泛地運用。

記者：突破這些瓶頸，需要加強哪些方面的創(chuàng)新？

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

1.高性能半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(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)計制備技術(shù)及工藝：需要深入研究無吸收窗口結(jié)構(gòu)和腔面鈍化技術(shù)，徹底解決半導(dǎo)體激光器的COMD難點問題。

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？

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，將會成為行業(yè)發(fā)展重點。