半導(dǎo)體激光器：向“換道超車”的目標(biāo)進(jìn)發(fā)

　　半導(dǎo)體激光器是當(dāng)今最重要的激光光源，它輸出功率大，電光轉(zhuǎn)換效率高。但是，普通半導(dǎo)體激光器光束發(fā)散角大、匯聚能力低、光束質(zhì)量差，使用中需要配合特定的整形光路，這使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，制約其廣泛應(yīng)用。

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華研究員及其研究團(tuán)隊長期在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域開拓，經(jīng)過二十多年的學(xué)術(shù)積累，他們成功在外延材料和器件中引入光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電子能帶與光子模場的聯(lián)合調(diào)控，在保持激光高效率輸出的同時，使得激光輸出光束的方向和模式得到極大改善，可不經(jīng)復(fù)雜整形而應(yīng)用，使激光系統(tǒng)大為簡化。相關(guān)成果獲得2017年國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

　　從事激光研究的初心

　　從最開始下定決心從事激光研究算起，鄭婉華在半導(dǎo)體激光領(lǐng)域已經(jīng)耕耘了27年，1988年她以排名第一的成績畢業(yè)于山東大學(xué)光學(xué)系，被保送進(jìn)入我國激光領(lǐng)域著名專家許祖彥院士門下求學(xué)，畢業(yè)后進(jìn)入中科院半導(dǎo)體所工作，從事半導(dǎo)體激光材料與器件的研究。1994年她到香港繼續(xù)深造，其間在夏建白院士的指導(dǎo)下完成了微納結(jié)構(gòu)能帶調(diào)控多波長發(fā)光研究，為她此后的研究奠定了深厚基礎(chǔ)。“人工微結(jié)構(gòu)對材料的發(fā)光有很好的調(diào)控作用。”鄭婉華說，她的團(tuán)隊的研究就是要把這種性能和半導(dǎo)體激光結(jié)合起來，進(jìn)而突破現(xiàn)有半導(dǎo)體激光性能提升的技術(shù)瓶頸。

　　半導(dǎo)體激光已經(jīng)發(fā)展了60多年，從效率、成本和輸出功率看，是優(yōu)秀的激光光源。“但就是可直接使用的少，究其原因是它不好用。”鄭婉華多年的研究目標(biāo)就是讓半導(dǎo)體激光器“好用”起來，這就是她之所以能堅持下來的初心。

　　從投入許祖彥院士門下到進(jìn)入半導(dǎo)體所工作;從去香港攻讀博士學(xué)位到美國麻省理工學(xué)院做高級訪問學(xué)者;從一人只身作研究到組建起一支能攻堅克難的研究團(tuán)隊;鄭婉華始終抱著提升半導(dǎo)體激光性能這一初心辛勤耕耘，最終在微結(jié)構(gòu)調(diào)控半導(dǎo)體激光器性能方面走出了一條自主發(fā)展的道路，研究出來的半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵性能達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，她研制出的激光器也在多個項目中發(fā)揮了重要作用，開拓出多項應(yīng)用。

　　在多次的考察和項目評審中，專家和領(lǐng)導(dǎo)都對鄭婉華團(tuán)隊研究的評價是“這是中國人有可能實(shí)現(xiàn)‘彎道超車’的一個方向”。

　　鄭婉華說，能在這方向?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”靠的是有一支有實(shí)力、敢創(chuàng)新的研究團(tuán)隊。團(tuán)隊成員大都是國內(nèi)自己培養(yǎng)出來的，他們實(shí)驗室80%以上的設(shè)備都是國產(chǎn)或自行研制的，與國內(nèi)多數(shù)半導(dǎo)體激光實(shí)驗室以及產(chǎn)業(yè)界相比較，他們的條件不占優(yōu)勢，有的看起來還很落后，甚至是處于劣勢。“但我們有可能實(shí)現(xiàn)‘換道超車’。”所謂“換道超車”，是說鄭婉華團(tuán)隊在研究上敢于自主創(chuàng)新，走了一條更有特色的發(fā)展之路。

　　低成本、高效率、低功耗

　　普通半導(dǎo)體激光器的缺陷是光的匯聚能力差，由此導(dǎo)致了其在使用時的高成本、低效率、高功耗。

　　“激光的方向性是很好的，但半導(dǎo)體激光發(fā)射出去像一個大喇叭口，輸出光嚴(yán)重發(fā)散。使用時只能采用加入光學(xué)透鏡組的方法。”據(jù)鄭婉華介紹，一個半導(dǎo)體激光器的功率一般在10瓦左右，在高功率應(yīng)用時往往需要成百上千，甚至上萬個半導(dǎo)體激光器組合起來，“假設(shè)一個半導(dǎo)體激光器前加三個光學(xué)元件，一萬個半導(dǎo)體激光器前就要加三萬個元件”。

　　鄭婉華團(tuán)隊的研究通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控光場，增強(qiáng)了半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量和匯聚能力。“從提出一些基本原理，比如復(fù)合腔、全光子能帶原理直至用了最新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都是圍繞著這樣一個目標(biāo)。通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控光場，使半導(dǎo)體激光器輸出光不再是個發(fā)散的橢圓光斑，而是一個低發(fā)散的圓光斑。”鄭婉華解釋道。這項成果應(yīng)用到實(shí)際中，“雖然尚不能把3萬個光學(xué)元件全都取掉，但有可能把光學(xué)元件減少到300個，實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級的跨越。”從市場角度，這種激光的應(yīng)用將使資金和人力成本大幅度縮減。過去使用半導(dǎo)體激光器時，需要多透鏡組進(jìn)行光束整形，價格昂貴、工序繁雜、成品率低，現(xiàn)在用一個透鏡就解決了問題，降低了技術(shù)難度和系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。

　　由于發(fā)光亮度高、匯聚能力強(qiáng)，她們研制的光子晶體激光器的功率密度比原來的半導(dǎo)體激光器提高了幾倍。在相同的激光功率密度要求下，如果普通激光器需要2瓦電功率驅(qū)動，他們研發(fā)的激光器則只需要1瓦左右，即只需要原來功率的50%～60%，整體功耗降低。低功耗、高穩(wěn)定性和小體積會給整體系統(tǒng)帶來巨大的競爭優(yōu)勢。目前，這種具有一系列自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本、高效率、低功耗的高亮度半導(dǎo)體激光器技術(shù)正推向產(chǎn)業(yè)化，初步實(shí)現(xiàn)了鄭婉華立志讓半導(dǎo)體激光器更“好用”的初衷。

　　充滿戰(zhàn)斗力的團(tuán)隊

　　鄭婉華團(tuán)隊70%成員是非常有戰(zhàn)斗力的年輕人。在她的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊成員學(xué)會了腳踏實(shí)地去探索，他們?yōu)榭蒲懈冻?，遠(yuǎn)超出一般同齡人的艱辛，以高度的責(zé)任感和使命感自我嚴(yán)格要求。鄭婉華坦言：“不過從某種意義上講，他們跟著我作研究也是蠻辛苦的。基本上沒有周末和假日。”

　　團(tuán)隊成員、副研究員王宇飛自2009年加入團(tuán)隊，在將近10年的工作中，每一次集中攻關(guān)的科研經(jīng)歷，都令他印象深刻。“加班實(shí)驗到深夜已是家常便飯”，研制的激光器在項目驗收時獲得了同行專家和用戶的一致好評是對這種辛苦付出的最好回報，“從理論推導(dǎo)到模擬仿真，計算結(jié)果再好，與實(shí)現(xiàn)器件的性能指標(biāo)之間還是會有很大差距”，這是在嚴(yán)格考驗一個團(tuán)隊的科學(xué)水平和能力。能經(jīng)受住最后的考驗，也歸功于團(tuán)隊長期堅持不懈地研究積累。團(tuán)隊骨干成員、研究員渠紅偉也表示，團(tuán)隊協(xié)作，攻堅克難是團(tuán)隊的常態(tài)，“如果一件事情做不完，大家一起加班加點(diǎn)，干到凌晨兩三點(diǎn)是常事”。在團(tuán)隊工作中，鄭婉華首先要求大家必須把相互協(xié)作和支持放在第一位。在她的帶領(lǐng)和促進(jìn)下，團(tuán)隊成員養(yǎng)成積極主動、有始有終、雙贏思維、協(xié)作增效、不斷更新的好習(xí)慣、好傳統(tǒng)。

　　光子晶體激光的研究是集基本原理、工藝技術(shù)、應(yīng)用拓展為一體的系統(tǒng)性研究，因此團(tuán)隊成員之間的協(xié)作是獲得成功的最基本保證。“如果一個好想法和思路不能徹底貫徹，團(tuán)隊成員不具備攻堅克難的精神狀態(tài)和意志，一項研究根本就走不到底，更不要說實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新跨越了。”

　　未來，團(tuán)隊的目標(biāo)是“把半導(dǎo)體激光器前的透鏡去掉”，技術(shù)向前進(jìn)步的每一點(diǎn)都需要持續(xù)不斷的長期積累。“這需要一個過程。我們對此充滿信心。”鄭婉華最后說。