攻克大功率激光关键技术，王立军院士及团队的“追光之路”！

“大功率半导体激光器在激光泵浦源、激光加工等方面具有广阔的应用前景，已成为国民经济建设和国防建设重要的关键基础元器件和核心支撑技术。”中国科学院院士、长春光学精密机械与物理研究所（以下简称“长春光机所”）研究员王立军对《高科技与产业化》记者说。

 

今年，是王立军率领大功率半导体激光器团队走过的第26 年“追光之路”。1995 年王立军从美国回国后带领团队，以研发长寿命无铝大功率半导体激光为起点，以解决国防重大战略需求为目标，同时面向国家半导体激光器事业的发展和国民经济需求，以需求带动学科，推动前沿创新。2014 年，团队入选科技部重点领域创新团队， 团队的力量得到充分的肯定。

 

图片工作中的王立军院士

 

“荣誉属于长春光机所和我所在的研发团队， 荣誉背后是大家共同的汗水。”王立军说。

 

人才梯队完备，研究方向相辅相成

 

经过26 年发展，这支团队已由最初的五六人发展到几十人。其中，高级职称18 人，固定职工37 人，同时还培养着50 多名研究生，拥有老中青三层人才建设梯队。

 

2013 年，王立军当选为中国科学院院士。他指出，“根据国家需求，确定团队的重点发展方向，由研究领域发展的前瞻性和战略性，确定团队的创新性发展”，是团队培养人才、吸引人才、留住人才的法宝。

 

这支优秀团队的研究方向相辅相成。从半导体激光器的材料生长，到芯片的加工和制备，再到后期的激光合束和封装测试，拥有着完整的、具有国际先进水平的半导体激光研究平台。“正是因为有如此良好的平台环境，团队人才得以有足够空间发挥自己的才智。”长春光机所研究员、团队成员宁永强说。

 

这支优秀团队的配合也相当严密：整体上， 王立军发挥院士的学术带头和方向把握作用，组织规划学科发展方向和工程化应用等重大事宜。团队建设了开放、流动、竞争、择优的环境，调动了团队成员的积极性，以学术水平、成果为核心对成员业绩进行考核，并建立稳定的技术职称队伍，以保障科研工作进行。

 

在具体工作方面，团队的科研人员在技术领域和创新研究两个方面进行交叉分工，采取相互支持的方式，推动项目顺利进行。如负责技术领域的人员在前沿创新研究中出谋划策，负责前沿创新研究的队员则在半导体激光研制领域承担技术支持角色。

 

“在这两个方面我们交叉分工、相互支持， 共同推动项目的进行和学科发展。”宁永强说。

 

攻坚克难，掌握核心技术

 

针对传统GaAlAs 量子阱激光器因铝在激光器腔面处的氧化使激光器寿命变短，造成器件工作不稳定的问题，王立军率领研究团队以无铝量子阱、长寿命新结构材料体系为基础，重点开展两大方面研究——边发射长寿命大功率激光器和大功率垂直腔面发射激光器。

 

王立军和研究团队通过对无铝量子阱新结构进行反复设计、模拟和优化，突破并掌握了多项大功率激光器关键工艺技术，提高了器件的均匀性和重复性。同时，开展了激光器集成芯片制备、高密度器件封装、大功率散热等工程化关键技术及应用研究，提高了激光器的使用寿命、转换效率等关键参数，使激光器达到了工业化应用水平。

 

1998 年，团队研制成功的808nm 单管半导体激光器实现连续输出3.6W，寿命突破5000 小时；2004 年，在国际上首次研制出连续输出功率1.95W 的大功率垂直腔面发射激光器，6 项主要指标达国际领先；2010 年，又在国内首次研制出千瓦高光束质量大功率激光对抗光源。

 

图片王立军院士（中）指导研究生开展实验

 

研究团队突破了前人认为垂直腔面发射激光器（VCSEL）只适于在毫瓦至几十毫瓦级低功率下运作的旧框架，从理论上详细阐明了瓦级大功率运作的可行性。首次提出多增益区、组分渐变、调制掺杂DBR 等多项设计理念，攻克了芯片制作、器件封装等系列关键技术，并于2004 年在国际上实现了光功率密度33.4kW/cm2 单管VCSEL 脉冲峰值输出（10ns,100Hz 条件）以及1.95W 单管VCSEL 连续波输出，与以前传统结构相比光功率提高近100 倍，显著拓宽了其应用领域，为世界所瞩目。

 

在提升半导体激光器性能参数的同时，王立军大力推进大功率半导体激光器成果转移转化，针对国内市场需求，开发出各型激光器及集成模块，包括激光器单管、激光线阵模块、激光迭阵模块、面发射激光面阵模块、激光合束光源5 大系列几十个激光器，在国内上百家企业和科研院所得以应用。

 

从2016 年开始，团队以核心专利入股的方式， 孵化出2 家半导体激光技术相关的公司：长光瑞思技术有限公司和长光时空技术有限公司。基于VCSEL 技术及器件领域的研发基础，2020 年6 月，研发团队在吉林省、长春市、经开区的支持下，开始建设半导体激光国家创新中心（筹），投资金额为14 亿元， 预计于2021 年底建成流片。

 

这每一项成果都倾注了王立军及团队成员的心血，无铝量子阱半导体激光器研究历经十年攻关，大功率半导体激光团队则共同奋战了20 余年。面对这些成绩，王立军表示：“这些都属于长春光机所和团队， 荣誉背后是大家共同的努力。”

 

诚如所言，王立军在半导体激光领域奋斗近40 年，亦是我国激光事业由弱到强、人才由少到多的40 年。在他的带领下，团队从最初五六人增加到几十人， 已经成长为一支知识结构合理、学术水平优异、创新能力强的研究队伍。从理论研究到工艺实践，再到交叉学科融合研究，团队整体的协同创新能力也在不断增强。

 

默契合作，为社会发展贡献力量

 

目前，王立军团队的研究方向为大功率半导体激光器，具有广阔的应用前景，已成为国民经济建设和国防建设重要的关键基础元器件和核心支撑技术。该研究方向以解决国家重大战略需求为目标，围绕材料生长和器件理论研究、器件工艺研究、激光合束技术研究、激光应用研究和系统设备开发。

 

在过去的26 年中，团队屡屡获得创新成果，有些还问鼎国家技术发明奖和国家科技进步奖，并数次获得吉林省科技进步奖一等奖。

 

王立军团队在国际上首次提出张应变宽带隙势垒VCSEL 新结构和设计思想，研制出92W 脉冲输出单管激光器，被美国《今日半导体》以“垂直腔面发射激光器取得92W 输出纪录”为标题给予高度评价；又被美国《激光世界焦点》杂志评为“脉冲峰值功率达92W，一个单管面发射激光器纪录”。上述开创性工作研制的各种垂直腔面发射激光（VCSEL）已应用于激光泵浦、激光引信、激光测距等领域。

 

长达26 年的发展、传承与积累，让这支团队能全身心地投入到默契的合作之中。他们以大功率半导体激光活跃的国际前沿研究为核心，吸引了新一代研究人员的加盟；又以需求带学科，强化、推动前沿创新研究结果向国防和工业应用与转化。

 

“吃苦耐劳、勇于创新，挑战科技前沿的团队精神是我们中青两代人从老一代科学家那里传承下来的。”宁永强说。

 

近年来，团队组织科研人员开展了高温工作VCSEL 研究，陆续突破InAlGaAs 等新材料结构设计与制备等前沿问题，首次实现795nm/894nm VCSEL 高温下高效率工作，为发展以芯片原子钟为代表的原子传感系统在导航、海洋探测等领域的应用奠定了基础。

 

激光加工是目前工业加工领域的前沿技术，其水平直接代表了国家的工业基础水平。面对振兴东北老工业基地的浪潮，大功率半导体激光器团队正在这一新的机遇中发挥着积极的作用。他们将先进的半导体激光器技术应用于装备制造业的发展，并不断打破国外产品垄断，同时提高国内激光装备制造业水平，对我国社会经济发展和科技进步发展贡献一份力量。

 

紧跟国家需求，追求创新发展

 

经过长期努力，王立军团队形成以国家需求促进学科发展为共同信念，强化前沿创新结果向国防和工业应用的转化。他还在团队中营造开放、流动、竞争、择优的环境，充分调动成员积极性，以学术水平、成果为核心对成员进行考核，建立稳定的技术支撑队伍。

 

对未来大功率半导体激光的应用，王立军更是充满信心。在国家装备制造业向智能化的拓展方面，他曾多次建言献策。

 

王立军认为：“近些年我国在半导体激光器领域已经给予了大量政策扶持，相关产业也取得了较快进步，但在整体投入还不充分，核心技术积累不够，目前仍有许多高端半导体激光器市场被国外产品占据。”

 

针对我国智能网联车、智能机器人和智能交通等诸多领域对激光雷达芯片传感器的重大需求，以及激光雷达芯片传感器成为“卡脖子”技术的严峻现实， 团队联合吉林大学宋俊峰教授开展了固态激光雷达核心芯片的研究。旨在掌握半导体激光器和CMOS 工艺兼容的硅基光电子集成技术，掌握激光雷达所涉及的基础理论与先进的设计方法，突破制约全固态激光雷达发展的核心芯片技术，为中国高性能激光雷达的推广普及开辟道路，并为未来智能化激光传感提供理论和技术支持。

 

半导体激光是5G 通信、大数据光互连、人工智能和激光制造等领域的核心光源，是我国光通信、智能感知、先进制造产业发展的战略核心技术，支撑着国家“智慧城市”、“大数据”、“数字中国”、“人工智能”、“中国制造2025”等战略的实施、国家新型基础设施建设和国家科技中长期发展。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020 年）》《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018~2022 年）》等国家级发展规划已经明确将半导体激光技术列为重点发展的关键科学技术。

 

半导体激光产业是国民经济主战场的重要高地， 然而我国光器件厂商多而不强，高端激光芯片严重依赖度进口，“卡脖子”问题突出。习近平总书记强调：“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”，只有把关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

 

为此，王立军和团队将一如既往地团结奋斗，使我国激光事业在实现伟大中国梦的征程中作出应有的贡献。

 

个人名片

 

王立军：1946 年出生于吉林省舒兰县，1970 年进入吉林大学半导体系半导体器件物理专业学习。1979 年考取研究生，师从著名半导体物理学家高鼎三院士，1986 年来到长春光机所工作至今。曾获国家技术发明二等奖1 项， 国家科技进步二等奖1 项，省部级一等奖6 项；荣获何梁何利奖，发表SCI、EI 论文300 余篇；获授权发明专利近60 项；合著专著5 部。2013 年当选中国科学院院士。

 

来源：《高科技与产业化》杂志