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半导体激光器:向“换道超车”的目标进发

来源:中国科学报

  发布:cici

关键词:半导体激光器 激光光源 半导体激光器

2018-04-17

 

郑婉华(左三)团队在人民大会堂合影。

■本报记者 韩天琪

半导体激光器是当今最重要的激光光源,它输出功率大,电光转换效率高。但是,普通半导体激光器光束发散角大、汇聚能力低、光束质量差,使用中需要配合特定的整形光路,这使得系统变得复杂,制约其广泛应用。

中国科学院半导体研究所郑婉华研究员及其研究团队长期在半导体激光器领域开拓,经过二十多年的学术积累,他们成功在外延材料和器件中引入光子晶体结构,实现了电子能带与光子模场的联合调控,在保持激光高效率输出的同时,使得激光输出光束的方向和模式得到极大改善,可不经复杂整形而应用,使激光系统大为简化。相关成果获得2017年国家技术发明奖二等奖。

从事激光研究的初心

从最开始下定决心从事激光研究算起,郑婉华在半导体激光领域已经耕耘了27年,1988年她以排名第一的成绩毕业于山东大学光学系,被保送进入我国激光领域著名专家许祖彦院士门下求学,毕业后进入中科院半导体所工作,从事半导体激光材料与器件的研究。1994年她到香港继续深造,其间在夏建白院士的指导下完成了微纳结构能带调控多波长发光研究,为她此后的研究奠定了深厚基础。“人工微结构对材料的发光有很好的调控作用。”郑婉华说,她的团队的研究就是要把这种性能和半导体激光结合起来,进而突破现有半导体激光性能提升的技术瓶颈。

半导体激光已经发展了60多年,从效率、成本和输出功率看,是优秀的激光光源。“但就是可直接使用的少,究其原因是它不好用。”郑婉华多年的研究目标就是让半导体激光器“好用”起来,这就是她之所以能坚持下来的初心。

从投入许祖彦院士门下到进入半导体所工作;从去香港攻读博士学位到美国麻省理工学院做高级访问学者;从一人只身作研究到组建起一支能攻坚克难的研究团队;郑婉华始终抱着提升半导体激光性能这一初心辛勤耕耘,最终在微结构调控半导体激光器性能方面走出了一条自主发展的道路,研究出来的半导体激光器的关键性能达到了国际领先水平,她研制出的激光器也在多个项目中发挥了重要作用,开拓出多项应用。

在多次的考察和项目评审中,专家和领导都对郑婉华团队研究的评价是“这是中国人有可能实现‘弯道超车’的一个方向”。

郑婉华说,能在这方向实现“弯道超车”靠的是有一支有实力、敢创新的研究团队。团队成员大都是国内自己培养出来的,他们实验室80%以上的设备都是国产或自行研制的,与国内多数半导体激光实验室以及产业界相比较,他们的条件不占优势,有的看起来还很落后,甚至是处于劣势。“但我们有可能实现‘换道超车’。”所谓“换道超车”,是说郑婉华团队在研究上敢于自主创新,走了一条更有特色的发展之路。

低成本、高效率、低功耗

普通半导体激光器的缺陷是光的汇聚能力差,由此导致了其在使用时的高成本、低效率、高功耗。

“激光的方向性是很好的,但半导体激光发射出去像一个大喇叭口,输出光严重发散。使用时只能采用加入光学透镜组的方法。”据郑婉华介绍,一个半导体激光器的功率一般在10瓦左右,在高功率应用时往往需要成百上千,甚至上万个半导体激光器组合起来,“假设一个半导体激光器前加三个光学元件,一万个半导体激光器前就要加三万个元件”。

郑婉华团队的研究通过微结构调控光场,增强了半导体激光器的光束质量和汇聚能力。“从提出一些基本原理,比如复合腔、全光子能带原理直至用了最新的拓扑结构,都是围绕着这样一个目标。通过微结构调控光场,使半导体激光器输出光不再是个发散的椭圆光斑,而是一个低发散的圆光斑。”郑婉华解释道。这项成果应用到实际中,“虽然尚不能把3万个光学元件全都取掉,但有可能把光学元件减少到300个,实现了数量级的跨越。”从市场角度,这种激光的应用将使资金和人力成本大幅度缩减。过去使用半导体激光器时,需要多透镜组进行光束整形,价格昂贵、工序繁杂、成品率低,现在用一个透镜就解决了问题,降低了技术难度和系统的复杂度,从而提升了系统的稳定性和使用寿命。

由于发光亮度高、汇聚能力强,她们研制的光子晶体激光器的功率密度比原来的半导体激光器提高了几倍。在相同的激光功率密度要求下,如果普通激光器需要2瓦电功率驱动,他们研发的激光器则只需要1瓦左右,即只需要原来功率的50%~60%,整体功耗降低。低功耗、高稳定性和小体积会给整体系统带来巨大的竞争优势。目前,这种具有一系列自主知识产权的低成本、高效率、低功耗的高亮度半导体激光器技术正推向产业化,初步实现了郑婉华立志让半导体激光器更“好用”的初衷。

充满战斗力的团队

郑婉华团队70%成员是非常有战斗力的年轻人。在她的带领下,团队成员学会了脚踏实地去探索,他们为科研付出,远超出一般同龄人的艰辛,以高度的责任感和使命感自我严格要求。郑婉华坦言:“不过从某种意义上讲,他们跟着我作研究也是蛮辛苦的。基本上没有周末和假日。”

团队成员、副研究员王宇飞自2009年加入团队,在将近10年的工作中,每一次集中攻关的科研经历,都令他印象深刻。“加班实验到深夜已是家常便饭”,研制的激光器在项目验收时获得了同行专家和用户的一致好评是对这种辛苦付出的最好回报,“从理论推导到模拟仿真,计算结果再好,与实现器件的性能指标之间还是会有很大差距”,这是在严格考验一个团队的科学水平和能力。能经受住最后的考验,也归功于团队长期坚持不懈地研究积累。团队骨干成员、研究员渠红伟也表示,团队协作,攻坚克难是团队的常态,“如果一件事情做不完,大家一起加班加点,干到凌晨两三点是常事”。在团队工作中,郑婉华首先要求大家必须把相互协作和支持放在第一位。在她的带领和促进下,团队成员养成积极主动、有始有终、双赢思维、协作增效、不断更新的好习惯、好传统。

光子晶体激光的研究是集基本原理、工艺技术、应用拓展为一体的系统性研究,因此团队成员之间的协作是获得成功的最基本保证。“如果一个好想法和思路不能彻底贯彻,团队成员不具备攻坚克难的精神状态和意志,一项研究根本就走不到底,更不要说实现创新跨越了。”

未来,团队的目标是“把半导体激光器前的透镜去掉”,技术向前进步的每一点都需要持续不断的长期积累。“这需要一个过程。我们对此充满信心。”郑婉华最后说。

《中国科学报》 (2018-04-16 第6版 院所)