我國半導體激光合束技術(shù)進(jìn)展及背后團隊

　　產(chǎn)生激光的光源非常多，有氣體激光器、固體激光器、光纖激光器、半導體激光器等，其中半導體激光器是目前轉換效率最高的一種光源。中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(cháng)春光機所)是國內最早研制出半導體激光器和固體激光器的單位。

　　如今，長(cháng)春光機所的高功率、高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)在全國21個(gè)省市近百家企業(yè)、科研院所應用，為全面提升激光技術(shù)水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量和增強國際競爭能力做出了巨大貢獻，為我國工業(yè)技術(shù)升級轉型、節能減排起到重要作用。

　　攻堅瓶頸技術(shù)

　　激光是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的前沿，是最具活力的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)之一，在航空、航天、核能、交通、信息、醫療等眾多軍民領(lǐng)域應用廣泛，激光加工技術(shù)的水平直接代表了國家的工業(yè)基礎水平。

　　在產(chǎn)生激光光源的眾多激光器中，半導體激光器的轉換效率超過(guò)50%。對此，長(cháng)春光機所研究員，高功率、高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)及應用團隊成員寧永強的解釋是，通過(guò)半導體激光器，一千瓦的電可以產(chǎn)生五百瓦的激光，轉換效率比光纖激光器高50%，比固體激光器高1倍，比二氧化碳氣體激光器高4倍。

　　高功率、高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)及應用團隊

　　寧永強表示：“半導體激光器可有效降低能源消耗，實(shí)現節能減排，對我國由高能耗社會(huì )向節約型社會(huì )轉變具有重大意義。”

　　激光加工需要將成千上萬(wàn)瓦的激光聚焦到一個(gè)非常小的點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠遠超過(guò)被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至熔化或汽化程度，從而實(shí)現焊接或切割。

　　與此同時(shí)，寧永強指出：“半導體激光器的單元功率非常小，最大只有十瓦量級，而且發(fā)散非常嚴重，難以直接聚焦，制約了其在激光加工、高能激光泵浦以及作為直接光源在激光武器等領(lǐng)域的應用，已成為國際上的重大瓶頸技術(shù)問(wèn)題，世界主要發(fā)達國家均將其列入國家級發(fā)展計劃。”

　　因此，團隊合力攻堅半導體激光合束技術(shù)，這是一項實(shí)現高功率、高光束質(zhì)量半導體激光輸出的最有效技術(shù)。激光合束是一個(gè)提高光束質(zhì)量、增加輸出功率的過(guò)程，寧永強稱(chēng)：“該技術(shù)將多個(gè)單元器件輸出光束耦合成一束，通過(guò)光束整形，提高整體光束質(zhì)量，提高功率密度;通過(guò)合束，提高輸出功率，形成大功率激光，最終實(shí)現千瓦以上光纖耦合輸出。”

　　謀求合束成果轉化

　　長(cháng)春光機所在半導體激光基礎研究及應用技術(shù)研究方面一直走在國內前列。自2006年，王立軍帶領(lǐng)團隊開(kāi)始部署半導體激光合束技術(shù)研究新方向，從芯片技術(shù)、封裝技術(shù)、合束技術(shù)等多方面提升半導體激光器的光束質(zhì)量。

　　寧永強介紹到：“我們的技術(shù)打破了高功率高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)由國外壟斷的局面，并在該領(lǐng)域擁有核心自主知識產(chǎn)權，于2011年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎一項，于2015年獲科技部創(chuàng )新人才推進(jìn)計劃重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng )新團隊榮譽(yù)。”

　　團隊不僅實(shí)現了國內少有的芯片制備、列陣封裝、光束整形、系統集成等方面完整技術(shù)條件，還在知識產(chǎn)權保護方面下功夫：近5年來(lái)獲得授權發(fā)明專(zhuān)利共計27項，覆蓋了高光束質(zhì)量半導體激光器單元器件設計及制備、合束方法以及應用，形成完整的半導體激光器研究鏈條，獲得多項國際領(lǐng)先技術(shù)成果。

　　寧永強告訴記者：“依靠這些技術(shù)，長(cháng)春光機所在激光加工領(lǐng)域研制出200 瓦～10 千瓦功率范圍的半導體激光加工光源，已經(jīng)形成激光焊接、激光切割、激光熔覆、激光3D打印四大系列產(chǎn)品，并在國內率先推廣大功率半導體激光加工技術(shù)。”

　　團隊借著(zhù)國家鼓勵科技成果轉化的東風(fēng)，謀求合束技術(shù)成果轉化。如今，長(cháng)春光機所的高功率、高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)在全國21個(gè)省市近百家企業(yè)、科研院所應用，為全面提升激光技術(shù)水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量和增強國際競爭能力做出了巨大貢獻，為我國工業(yè)技術(shù)升級轉型、節能減排起到重要作用。

　　2016年初，由吉林省科技廳、中科院長(cháng)春光機所共同出資創(chuàng )建了吉林省長(cháng)光瑞思激光技術(shù)有限公司，團隊負責進(jìn)行半導體激光技術(shù)成果的轉化，先后開(kāi)發(fā)出了激光加工光源、激光醫療儀器等多項產(chǎn)品。寧永強說(shuō)：“公司目前簽訂合同訂單近千萬(wàn)元，為社會(huì )提供了近30個(gè)就業(yè)崗位。”

　　建設三層人才梯隊

　　經(jīng)過(guò)多年的積淀，高功率、高光束質(zhì)量半導體激光合束技術(shù)及應用團隊配合得相當嚴密，建立了老中青三層人才梯隊。

　　王立軍發(fā)揮院士的學(xué)術(shù)帶頭和方向把握作用，根據國家需求，統籌規劃團隊的重點(diǎn)發(fā)展方向，依靠研究領(lǐng)域發(fā)展的前瞻性和戰略性，確定團隊的創(chuàng )新性發(fā)展。

　　作為團隊的中堅力量，寧永強力求建設開(kāi)放、流動(dòng)、競爭、擇優(yōu)的團隊環(huán)境，調動(dòng)團隊的積極性，以學(xué)術(shù)水平、成果為核心對成員業(yè)績(jì)進(jìn)行考核，建立穩定的技術(shù)職稱(chēng)隊伍，保障科研工作進(jìn)行。

　　研究員秦莉負責前沿創(chuàng )新工作，從理論上為團隊的工作提供支撐，為團隊的技術(shù)發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎;研究員劉云與單肖楠則發(fā)揮其在封裝技術(shù)領(lǐng)域不斷攻關(guān)所積累的豐富經(jīng)驗，不斷提升激光器的散熱能力，提高單元輸出功率，增加激光器可靠性。

　　單肖楠2004年進(jìn)入長(cháng)春光機所，一直從事半導體激光器方面的研究。“從我們認準高功率半導體激光器開(kāi)始，就沒(méi)有退縮，最先的目標是實(shí)現高功率，后來(lái)，當我們實(shí)現千瓦級的激光輸出時(shí)，發(fā)現高光束質(zhì)量是一個(gè)必然趨勢，就不斷調研，不斷改進(jìn)，緊跟國際發(fā)展趨勢，研究如何實(shí)現高功率、高光束質(zhì)量。”他告訴《中國科學(xué)報》記者，“在歷時(shí)近一年的探索后，確定了幾個(gè)可行的實(shí)現方案，大家開(kāi)始分頭行動(dòng)，從不同方面攻克這個(gè)難關(guān)。正是大家多年的不懈努力，才實(shí)現了國內和國際領(lǐng)先，填補了國內空白。”

　　團隊中不斷涌現的青年力量則負責具體的工作，在技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)化兩個(gè)方面進(jìn)行交叉分工，采取相互支持的方式，推動(dòng)項目順利進(jìn)行。彭航宇與張俊主要負責合束技術(shù)的創(chuàng )新，將技術(shù)由腦袋中的一絲閃光，一步步完善，從原理樣機變成工程樣機。而朱洪波與付喜宏則將實(shí)驗室中的樣機最終轉化為產(chǎn)品上市，完成技術(shù)從實(shí)驗室走向市場(chǎng)的轉變。