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        見(jiàn)證光電的神奇力量

        2016-05-16 08:10:26李佳
        科學(xué)中國(guó)人 2016年4期
        關(guān)鍵詞:赫茲級(jí)聯(lián)激光器

        李佳

        2002年,在國(guó)際研究量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)波工作;二是實(shí)現(xiàn)了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光材料的激射。這在當(dāng)時(shí)引起了巨大轟動(dòng)。

        就在這一年,2002年6月,劉俊岐進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作,自此拉開(kāi)他對(duì)電磁波研究的追逐賽。

        伯樂(lè)難遇,千里馬難求

        童年就夢(mèng)想當(dāng)一名工程師的劉俊岐,本科畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè)。一次偶然的工作機(jī)遇讓他在做畢業(yè)論文時(shí)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(shí)間的“伯樂(lè)”張維連教授,劉俊岐滿(mǎn)是感恩。劉俊岐安靜、踏實(shí)的性格和在專(zhuān)業(yè)上的超強(qiáng)悟性讓張維連教授覺(jué)得他是一個(gè)難得的人才,極力推薦他報(bào)考中國(guó)科學(xué)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(shí)師從劉峰奇,并得受于德高望重的王占國(guó)院士的領(lǐng)導(dǎo)。而劉峰奇研究員率領(lǐng)的量子級(jí)聯(lián)課題的研究在當(dāng)時(shí)已取得了較好成果,在國(guó)際上也享有較高知名度。面對(duì)這一切“必然”的到來(lái),劉俊岐卻謙遜地說(shuō)是自己比較“幸運(yùn)”。

        博士階段,劉俊岐主要做砷化鎵(GaAs)基的中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)材料研究,承擔(dān)了一些國(guó)家科研項(xiàng)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(gè)GaAs/AlGaAs量子級(jí)聯(lián)激光器。關(guān)于量子級(jí)聯(lián)材料研究,劉俊岐說(shuō),首先要明白何為量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)。據(jù)劉俊岐詳細(xì)介紹,QCL是一種基于子帶間電子躍遷的中遠(yuǎn)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(jí)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(jí)串接組成而實(shí)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(mǎn)意的就是在主持國(guó)家“863”項(xiàng)目“垂直面發(fā)射中紅外單模激光器研究”時(shí)取得的成果:實(shí)現(xiàn)了世界上功率最高的垂直面發(fā)射量子級(jí)聯(lián)激光器,最高峰值功率3.68W,室溫工作時(shí)都超過(guò)了1W。而當(dāng)時(shí)項(xiàng)目指標(biāo)要求是100mW。在這項(xiàng)研究中,劉俊岐和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了金屬表面等離子體增強(qiáng)的垂直面發(fā)射技術(shù),研究的相關(guān)文章發(fā)表后在國(guó)內(nèi)外引起了非常高的關(guān)注。

        實(shí)現(xiàn)太赫茲光

        隨著太赫茲源、檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)元器件的突破,太赫茲波一系列獨(dú)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(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域具有重要影響的非?;钴S的前沿學(xué)科,世界各國(guó)政府都對(duì)其發(fā)展高度重視。

        在2004年,美國(guó)政府就已將太赫茲技術(shù)評(píng)為“改變未來(lái)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(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首,舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。我國(guó)政府也在2005年12月召開(kāi)香山科學(xué)會(huì)議上,邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)家們齊聚一堂,討論我國(guó)太赫茲事業(yè)的發(fā)展方向,并制定了我國(guó)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(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器擴(kuò)展到太赫茲。

        太赫茲(THz)波是指頻率從0.1THz到10THz,波長(zhǎng)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(yuǎn)紅外光區(qū)域。太赫茲波兼有微波毫米波與紅外可見(jiàn)光兩個(gè)區(qū)域的特性,同時(shí)又與其他波段的電磁波具有非常強(qiáng)的互補(bǔ)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(dú)特性質(zhì)在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及材料、航天、國(guó)家安全等技術(shù)領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,如高分辨率成像、射電天文探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)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(gè)問(wèn)題。劉俊岐介紹說(shuō):“第一個(gè)是解決太赫茲的材料問(wèn)題,第二個(gè)是做器件的工藝,第三個(gè)是測(cè)試系統(tǒng)的建立?!北M管道路比較困難,但在不斷積累和堅(jiān)持下,從材料制作到器件完成,從完善工藝到建立測(cè)試系統(tǒng),劉俊岐和團(tuán)隊(duì)克服種種障礙,最終實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。2006年,團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上研制出GaAs體系太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光材料。2010年元旦過(guò)后,激光器終于研制成功了!劉俊岐如釋重負(fù)。

        任何科研成績(jī)的獲得都離不開(kāi)長(zhǎng)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(guò)后,當(dāng)劉俊岐盯著屏幕檢測(cè)光譜信號(hào)的時(shí)候,一道光從他眼前剎那閃過(guò)。頓時(shí),整個(gè)實(shí)驗(yàn)室沸騰起來(lái)。劉俊岐不敢相信自己的眼睛,4年,1400多個(gè)日日夜夜的等待,不知重復(fù)過(guò)多少次,失敗過(guò)多少次。對(duì)于太赫茲光的實(shí)現(xiàn),如今的劉俊岐卻很釋然,笑著說(shuō)這是一次“偶然”的成功。

        打破儀器設(shè)備研制的壟斷

        科學(xué)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(gè)國(guó)家科技水平和科技綜合競(jìng)爭(zhēng)能力的重要標(biāo)志。太赫茲儀器設(shè)備在物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、通信和雷達(dá)等領(lǐng)域也存在廣泛需求。同時(shí),我國(guó)在太赫茲源研制技術(shù),諸如量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)等方面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累已具備了較好的基礎(chǔ),開(kāi)展太赫茲科學(xué)儀器設(shè)備研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

        2011年,我國(guó)設(shè)立了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng),以相干強(qiáng)太赫茲源科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)為突破口,解決制約我國(guó)太赫茲技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題,以打破國(guó)外高端技術(shù)及設(shè)備壟斷局面。

        此時(shí)我國(guó)已經(jīng)掌握了太赫茲量子級(jí)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(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)的一個(gè)重要內(nèi)容。在這一專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)發(fā)中,劉俊岐的團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)核心部件太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的研制。該項(xiàng)目對(duì)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?yàn)槠骷ぷ髟诘蜏叵?,制冷機(jī)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(shí),太赫茲光路復(fù)雜,要求激光器光束質(zhì)量要好。經(jīng)過(guò)一次又一次的試驗(yàn),劉俊岐和團(tuán)隊(duì)在材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)上做了重大改進(jìn)。團(tuán)隊(duì)最終在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器最高連續(xù)波輸出功率超過(guò)160mW,成為了國(guó)際最高指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上針對(duì)全息成像設(shè)備研制的器件也完全滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用。

        騏驥一躍,功在不舍。對(duì)于科研,劉俊岐認(rèn)為第一要自信,相信自己做的東西一定有用;第二是堅(jiān)持;第三離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。面對(duì)所取得的已達(dá)國(guó)際先進(jìn)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(huì)價(jià)值”。相對(duì)于美國(guó)、歐洲、日本公司在市場(chǎng)上的科技轉(zhuǎn)化,我國(guó)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(guó)家的推動(dòng),一方面也靠宣傳推廣出去。最后,劉俊岐滿(mǎn)懷期待地說(shuō):“希望有責(zé)任有擔(dān)當(dāng)?shù)墓窘槿?,科技成果要走出?shí)驗(yàn)室”。

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