半導體激光器：向“換道超車(chē)”的目標進(jìn)發(fā)

　　半導體激光器是當今最重要的激光光源，它輸出功率大，電光轉換效率高。但是，普通半導體激光器光束發(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，這使得系統變得復雜，制約其廣泛應用。

　　中國科學(xué)院半導體研究所鄭婉華研究員及其研究團隊長(cháng)期在半導體激光器領(lǐng)域開(kāi)拓，經(jīng)過(guò)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構，實(shí)現了電子能帶與光子模場(chǎng)的聯(lián)合調控，在保持激光高效率輸出的同時(shí)，使得激光輸出光束的方向和模式得到極大改善，可不經(jīng)復雜整形而應用，使激光系統大為簡(jiǎn)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(kāi)始下定決心從事激光研究算起，鄭婉華在半導體激光領(lǐng)域已經(jīng)耕耘了27年，1988年她以排名第一的成績(jì)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(zhù)名專(zhuān)家許祖彥院士門(mén)下求學(xué)，畢業(yè)后進(jìn)入中科院半導體所工作，從事半導體激光材料與器件的研究。1994年她到香港繼續深造，其間在夏建白院士的指導下完成了微納結構能帶調控多波長(cháng)發(fā)光研究，為她此后的研究奠定了深厚基礎。“人工微結構對材料的發(fā)光有很好的調控作用。”鄭婉華說(shuō)，她的團隊的研究就是要把這種性能和半導體激光結合起來(lái)，進(jìn)而突破現有半導體激光性能提升的技術(shù)瓶頸。

　　半導體激光已經(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就是讓半導體激光器“好用”起來(lái)，這就是她之所以能堅持下來(lái)的初心。

　　從投入許祖彥院士門(mén)下到進(jìn)入半導體所工作;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(fǎng)問(wèn)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隊;鄭婉華始終抱著(zhù)提升半導體激光性能這一初心辛勤耕耘，最終在微結構調控半導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(lái)的半導體激光器的關(guān)鍵性能達到了國際領(lǐng)先水平，她研制出的激光器也在多個(gè)項目中發(fā)揮了重要作用，開(kāi)拓出多項應用。

　　在多次的考察和項目評審中，專(zhuān)家和領(lǐng)導都對鄭婉華團隊研究的評價(jià)是“這是中國人有可能實(shí)現‘彎道超車(chē)’的一個(gè)方向”。

　　鄭婉華說(shuō)，能在這方向實(shí)現“彎道超車(chē)”靠的是有一支有實(shí)力、敢創(chuàng )新的研究團隊。團隊成員大都是國內自己培養出來(lái)的，他們實(shí)驗室80%以上的設備都是國產(chǎn)或自行研制的，與國內多數半導體激光實(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(lái)還很落后，甚至是處于劣勢。“但我們有可能實(shí)現‘換道超車(chē)’。”所謂“換道超車(chē)”，是說(shuō)鄭婉華團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

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

　　“激光的方向性是很好的，但半導體激光發(fā)射出去像一個(gè)大喇叭口，輸出光嚴重發(fā)散。使用時(shí)只能采用加入光學(xué)透鏡組的方法。”據鄭婉華介紹，一個(gè)半導體激光器的功率一般在10瓦左右，在高功率應用時(shí)往往需要成百上千，甚至上萬(wàn)個(gè)半導體激光器組合起來(lái)，“假設一個(gè)半導體激光器前加三個(gè)光學(xué)元件，一萬(wàn)個(gè)半導體激光器前就要加三萬(wàn)個(gè)元件”。

　　鄭婉華團隊的研究通過(guò)微結構調控光場(chǎng)，增強了半導體激光器的光束質(zhì)量和匯聚能力。“從提出一些基本原理，比如復合腔、全光子能帶原理直至用了最新的拓撲結構，都是圍繞著(zhù)這樣一個(gè)目標。通過(guò)微結構調控光場(chǎng)，使半導體激光器輸出光不再是個(gè)發(fā)散的橢圓光斑，而是一個(gè)低發(fā)散的圓光斑。”鄭婉華解釋道。這項成果應用到實(shí)際中，“雖然尚不能把3萬(wàn)個(gè)光學(xué)元件全都取掉，但有可能把光學(xué)元件減少到300個(gè)，實(shí)現了數量級的跨越。”從市場(chǎng)角度，這種激光的應用將使資金和人力成本大幅度縮減。過(guò)去使用半導體激光器時(shí)，需要多透鏡組進(jìn)行光束整形，價(jià)格昂貴、工序繁雜、成品率低，現在用一個(gè)透鏡就解決了問(wèn)題，降低了技術(shù)難度和系統的復雜度，從而提升了系統的穩定性和使用壽命。

　　由于發(fā)光亮度高、匯聚能力強，她們研制的光子晶體激光器的功率密度比原來(lái)的半導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瓦電功率驅動(dòng)，他們研發(fā)的激光器則只需要1瓦左右，即只需要原來(lái)功率的50%～60%，整體功耗降低。低功耗、高穩定性和小體積會(huì )給整體系統帶來(lái)巨大的競爭優(yōu)勢。目前，這種具有一系列自主知識產(chǎn)權的低成本、高效率、低功耗的高亮度半導體激光器技術(shù)正推向產(chǎn)業(yè)化，初步實(shí)現了鄭婉華立志讓半導體激光器更“好用”的初衷。

　　充滿(mǎn)戰斗力的團隊

　　鄭婉華團隊70%成員是非常有戰斗力的年輕人。在她的帶領(lǐng)下，團隊成員學(xué)會(huì )了腳踏實(shí)地去探索，他們?yōu)榭蒲懈冻?，遠超出一般同齡人的艱辛，以高度的責任感和使命感自我嚴格要求。鄭婉華坦言：“不過(guò)從某種意義上講，他們跟著(zhù)我作研究也是蠻辛苦的?；旧蠜](méi)有周末和假日。”

　　團隊成員、副研究員王宇飛自2009年加入團隊，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(shí)獲得了同行專(zhuān)家和用戶(hù)的一致好評是對這種辛苦付出的最好回報，“從理論推導到模擬仿真，計算結果再好，與實(shí)現器件的性能指標之間還是會(huì )有很大差距”，這是在嚴格考驗一個(gè)團隊的科學(xué)水平和能力。能經(jīng)受住最后的考驗，也歸功于團隊長(cháng)期堅持不懈地研究積累。團隊骨干成員、研究員渠紅偉也表示，團隊協(xié)作，攻堅克難是團隊的常態(tài)，“如果一件事情做不完，大家一起加班加點(diǎn)，干到凌晨?jì)扇c(diǎn)是常事”。在團隊工作中，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，團隊成員養成積極主動(dòng)、有始有終、雙贏(yíng)思維、協(xié)作增效、不斷更新的好習慣、好傳統。

　　光子晶體激光的研究是集基本原理、工藝技術(shù)、應用拓展為一體的系統性研究，因此團隊成員之間的協(xié)作是獲得成功的最基本保證。“如果一個(gè)好想法和思路不能徹底貫徹，團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(shuō)實(shí)現創(chuàng )新跨越了。”

　　未來(lái)，團隊的目標是“把半導體激光器前的透鏡去掉”，技術(shù)向前進(jìn)步的每一點(diǎn)都需要持續不斷的長(cháng)期積累。“這需要一個(gè)過(guò)程。我們對此充滿(mǎn)信心。”鄭婉華最后說(shuō)。