半導體激光器：向“換道超車”的目標進發

鄭婉華（左三）團隊在人民大會堂合影。

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散角大、匯聚能力低、光束質量差，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。

中國科學院半導體研究所鄭婉華研究員及其研究團隊長期在半導體激光器領域開拓，經過二十多年的學術積累，他們成功在外延材料和器件中引入光子晶體結構，實現了電子能帶與光子模場的聯合調控，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，可不經復雜整形而應用，使激光系統大為簡化。相關成果獲得2017年國家技術發明獎二等獎。

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，鄭婉華在半導體激光領域已經耕耘了27年，1988年她以排名第一的成績畢業于山東大學光學系，被保送進入我國激光領域著名專家許祖彥院士門下求學，畢業后進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發光研究，為她此后的研究奠定了深厚基礎。“人工微結構對材料的發光有很好的調控作用。”鄭婉華說，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，進而突破現有半導體激光性能提升的技術瓶頸。

半導體激光已經發展了60多年，從效率、成本和輸出功率看，是優秀的激光光源。“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，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入半導體所工作；從去香港攻讀博士學位到美國麻省理工學院做高級訪問學者；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展的道路，研究出來的半導體激光器的關鍵性能達到了國際領先水平，她研制出的激光器也在多個項目中發揮了重要作用，開拓出多項應用。

在多次的考察和項目評審中，專家和領導都對鄭婉華團隊研究的評價是“這是中國人有可能實現‘彎道超車’的一個方向”。

鄭婉華說，能在這方向實現“彎道超車”靠的是有一支有實力、敢創新的研究團隊。團隊成員大都是國內自己培養出來的，他們實驗室80%以上的設備都是國產或自行研制的，與國內多數半導體激光實驗室以及產業界相比較，他們的條件不占優勢，有的看起來還很落后，甚至是處于劣勢。“但我們有可能實現‘換道超車’。”所謂“換道超車”，是說鄭婉華團隊在研究上敢于自主創新，走了一條更有特色的發展之路。

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，但半導體激光發射出去像一個大喇叭口，輸出光嚴重發散。使用時只能采用加入光學透鏡組的方法。”據鄭婉華介紹，一個半導體激光器的功率一般在10瓦左右，在高功率應用時往往需要成百上千，甚至上萬個半導體激光器組合起來，“假設一個半導體激光器前加三個光學元件，一萬個半導體激光器前就要加三萬個元件”。

鄭婉華團隊的研究通過微結構調控光場，增強了半導體激光器的光束質量和匯聚能力。“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，都是圍繞著這樣一個目標。通過微結構調控光場，使半導體激光器輸出光不再是個發散的橢圓光斑，而是一個低發散的圓光斑。”鄭婉華解釋道。這項成果應用到實際中，“雖然尚不能把3萬個光學元件全都取掉，但有可能把光學元件減少到300個，實現了數量級的跨越。”從市場角度，這種激光的應用將使資金和人力成本大幅度縮減。過去使用半導體激光器時，需要多透鏡組進行光束整形，價格昂貴、工序繁雜、成品率低，現在用一個透鏡就解決了問題，降低了技術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，他們研發的激光器則只需要1瓦左右，即只需要原來功率的50%~60%，整體功耗降低。低功耗、高穩定性和小體積會給整體系統帶來巨大的競爭優勢。目前，這種具有一系列自主知識產權的低成本、高效率、低功耗的高亮度半導體激光器技術正推向產業化，初步實現了鄭婉華立志讓半導體激光器更“好用”的初衷。

充滿戰斗力的團隊

鄭婉華團隊70%成員是非常有戰斗力的年輕人。在她的帶領下，團隊成員學會了腳踏實地去探索，他們為科研付出，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，每一次集中攻關的科研經歷，都令他印象深刻。“加班實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，“從理論推導到模擬仿真，計算結果再好，與實現器件的性能指標之間還是會有很大差距”，這是在嚴格考驗一個團隊的科學水平和能力。能經受住最后的考驗，也歸功于團隊長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，團隊協作，攻堅克難是團隊的常態，“如果一件事情做不完，大家一起加班加點，干到凌晨兩三點是常事”。在團隊工作中，鄭婉華首先要求大家必須把相互協作和支持放在第一位。在她的帶領和促進下，團隊成員養成積極主動、有始有終、雙贏思維、協作增效、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、應用拓展為一體的系統性研究，因此團隊成員之間的協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，團隊成員不具備攻堅克難的精神狀態和意志，一項研究根本就走不到底，更不要說實現創新跨越了。”

未來，團隊的目標是“把半導體激光器前的透鏡去掉”，技術向前進步的每一點都需要持續不斷的長期積累。“這需要一個過程。我們對此充滿信心。”鄭婉華最后說。