劉榮+曹麗娟

20世紀70年代，半導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。

在美國西北大學做高級訪問學者期間，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體激光研究從齊步到滯后、從跟蹤到部分先進的跌宕起伏。近日，他接受本刊郵件專訪，談起奉獻了大半生的事業(yè)，他肯定了我國取得的成績，也指出了差距?？偨Y(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)注半導體激光是因為看中它的哪些優(yōu)點？

王立軍：半導體激光是以半導體材料為工作物質(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.與半導體制造技術(shù)兼容，可大批量生產(chǎn)；

基于這些優(yōu)點，半導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)《中國半導體激光產(chǎn)業(yè)報告》統(tǒng)計，全球半導體激光器的銷售規(guī)模已達到84億美元。

記者：我國半導體激光器的研究經(jīng)歷了哪些階段？

王立軍：我國半導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體所同時成功研制出的液氫溫度下GaAs二極管激光器，與當時國際發(fā)展水平差距不到一年，是我國半導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體激光器研究；1998年，808nm單管半導體激光器實現(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項主要指標達國際領(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60至70年代期間，我國半導體激光器水平與國際相當，后來略滯后于國際，主要以跟蹤國際前沿為主。目前半導體激光器芯片外延生長方面較為薄弱，但某些領(lǐng)域已處于國際先進水平，尤其在半導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體激光器市場被國外產(chǎn)品占據(jù)。

我國半導體激光器產(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體激光器，為何大家都“迷戀”大功率？

王立軍：大功率半導體激光器是一類用途非常廣泛的電子器件，輸出功率高達百瓦、千瓦，甚至準連續(xù)輸出功率可達萬瓦以上，能量轉(zhuǎn)換效率能達到50%以上。半導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，大功率半導體激光器及大功率半導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、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：您和團隊開展的大功率半導體激光器研究獲得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)量半導體激光光源方面取得了許多重大突破，達到世界先進水平。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)量大功率半導體激光輸出，攻克半導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)，努力克服半導體激光器光束質(zhì)量差、快慢軸光斑嚴重不對稱、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體激光裝置”和“大功率光束耦合半導體激光器”2項發(fā)明專利，“半導體激光線陣及迭陣微通道熱沉化學清洗裝置”、“粗糙光型半導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，進行半導體激光技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，先后開發(fā)出光纖激光器、半導體激光器、激光加工光源、激光醫(yī)療儀器等產(chǎn)品。

（三）

記者：大功率半導體激光團隊成軍至今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隊，榮譽背后都是大家共同的努力。我很滿意我的團隊，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，有人負責在創(chuàng)新研究中出謀劃策，有人負責為半導體激光研制提供技術(shù)支持，兩方面交叉分工、相互支持，共同推動項目的進行和學科發(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，不斷部署半導體激光新思想、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的研究，承擔或參加多個重大、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、共同奮斗的奉獻精神，齊心協(xié)作、埋首科研、精益求精，團隊里洋溢著歡快輕松、又不失科學嚴謹?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，確定團隊創(chuàng)新性發(fā)展目標，這就是我們培養(yǎng)、吸引、留住人才的法寶。我們以需求促進學科發(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，以國際先進水平的半導體激光研究平臺和大功率半導體激光國際前沿研究為核心，吸引新一代研究人員加盟。

團隊營造開放、流動、競爭、擇優(yōu)的環(huán)境，充分調(diào)動成員積極性，以學術(shù)水平、成果為核心對成員進行考核，建立穩(wěn)定的技術(shù)支撐隊伍，保障科研工作的進行。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（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)取得了重要進展。

（四）

記者：您認為我國半導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)量大功率半導體激光器等領(lǐng)域取得了長足進步，單元器件的光纖耦合、半導體激光芯片封裝、半導體激光器系統(tǒng)等也達到了國際先進水平。

但是，在半導體激光器核心部件——半導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)半導體激光器件的功率、壽命與國外先進水平差距較大，依然依賴進口，導致我國半導體激光器價格居高不下，嚴重影響大功率半導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體器件的應(yīng)用和發(fā)展，化合物半導體器件外延和封裝技術(shù)不斷成熟。這些技術(shù)應(yīng)用于半導體激光器，大大促進了半導體激光器件的國產(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)可靠壽命測試老化方案和條件，獲取產(chǎn)品光學、電學、熱學等參數(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，以滿足半導體激光器產(chǎn)品化的相關(guān)指標。

記者：您如何看待半導體激光器的發(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)域的增速已遠超其他領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于精細加工的半導體激光器，將會成為行業(yè)發(fā)展重點。