見證光電的神奇力量

李佳

2002年，在國際研究量子級(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，自此拉開他對(duì)電磁波研究的追逐賽。

伯樂難遇，千里馬難求

童年就夢想當(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”張維連教授，劉俊岐滿是感恩。劉俊岐安靜、踏實(shí)的性格和在專業(yè)上的超強(qiáng)悟性讓張維連教授覺得他是一個(gè)難得的人才，極力推薦他報(bào)考中國科學(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，在國際上也享有較高知名度。面對(duì)這一切“必然”的到來，劉俊岐卻謙遜地說是自己比較“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，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，最讓劉俊岐感到滿意的就是在主持國家“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)、國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)等領(lǐng)域具有重要影響的非?；钴S的前沿學(xué)科，世界各國政府都對(duì)其發(fā)展高度重視。

在2004年，美國政府就已將太赫茲技術(shù)評(píng)為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，日本在2005年1月更是將太赫茲技術(shù)列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國之力進(jìn)行研發(fā)。我國政府也在2005年12月召開香山科學(xué)會(huì)議上，邀請(qǐng)國內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專家們齊聚一堂，討論我國太赫茲事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國太赫茲技術(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、環(huán)境監(jiān)測、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)問題。劉俊岐介紹說：“第一個(gè)是解決太赫茲的材料問題，第二個(gè)是做器件的工藝，第三個(gè)是測試系統(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)。

任何科研成績的獲得都離不開長期思索、忍耐和勤奮，讓劉俊岐最難忘的則是偶然的一剎那。同是2010年元旦過后，當(dāng)劉俊岐盯著屏幕檢測光譜信號(hào)的時(shí)候，一道光從他眼前剎那閃過。頓時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室沸騰起來。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)過多少次，失敗過多少次。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)國家科技水平和科技綜合競爭能力的重要標(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)過長期積累已具備了較好的基礎(chǔ)，開展太赫茲科學(xué)儀器設(shè)備研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

2011年，我國設(shè)立了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)，以相干強(qiáng)太赫茲源科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)為突破口，解決制約我國太赫茲技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”問題，以打破國外高端技術(shù)及設(shè)備壟斷局面。

此時(shí)我國已經(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)備是此次開發(fā)專項(xiàng)的一個(gè)重要內(nèi)容。在這一專項(xiàng)開發(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160mW，成為了國際最高指標(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；第三離不開團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。面對(duì)所取得的已達(dá)國際先進(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、歐洲、日本公司在市場上的科技轉(zhuǎn)化，我國企業(yè)在此方面的發(fā)展則顯得比較緩慢。而這一方面要靠國家的推動(dòng)，一方面也靠宣傳推廣出去。最后，劉俊岐滿懷期待地說：“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”。