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半导体激光器:向“换道超车”的方针进发激光器

郑婉华(左三)团队在人平易近年夜礼堂合影。

■本报记者 韩天琪

半导体激光器是当今最紧张的激光光源,它输入功率年夜,电光转换效力高。然则,通俗半导体激光器光束发散角年夜、汇聚能力低、光束品质差,应用中需求共同特定的整形光路,这使得体系变得庞大,制约其宽泛使用。

中国迷信院半导体研讨所郑婉华研讨员及其研讨团队持久在半导体激光器范畴开拓,颠末二十多年的学术堆集,他们乐成在外延质料和器件中引入光子晶体布局,完成了电子能带与光子模场的结合调控,在连结激光高效力输入的同时,使得激光输入光束的标的目的和模式获得极年夜改良,可不经庞大整形而使用,使激光体系年夜为简化。相干结果得到2017年国度技能发现奖二等奖。

从事激光研讨的初心

从最开始下定决计从事激光研讨算起,郑婉华在半导体激光范畴曾经耕作了27年,1988年她以排名第一的成就结业于山东年夜学光学系,被保送进入我国激光范畴闻名专家许祖彦院士门下肄业,结业落伍入中科院半导体所事情,从事半导体激光质料与器件的研讨。1994年她到香港继续深造,其间在夏建利剑院士的指示下实现了微纳布局能带调控多波长发光研讨,为她今后的研讨奠基了深挚根蒂根基。“人工微布局对质料的发光有很好的调控作用。”郑婉华说,她的团队的研讨就是要把这种机能和半导体激光联合起来,进而冲破现有半导体激光机能晋升的技能瓶颈。

半导体激光曾经成长了60多年,从效力、老本和输入功率看,是优秀的激光光源。“但就是可间接应用的少,究其缘故原由是它欠好用。”郑婉华多年的研讨方针就是让半导体激光器“好用”起来,这就是她之以是能对峙上去的初心。

从投入许祖彦院士门下到进入半导体所事情;从去香港攻读博士学位到美国麻省理工学院做高级拜候学者;从一人单身作研讨到组建起一支能攻坚克难的研讨团队;郑婉华一直抱着晋升半导体激光机能这一初心辛勤耕作,终极在微布局调控半导体激光器机能方面走出了一条自立成长的门路,研讨进去的半导体激光器的要害机能到达了国际当先程度,她研制出的激光器也在多个名目中阐扬了紧张作用,开拓出多项使用。

在屡次的考查和名目评审中,专家和带领都对郑婉华团队研讨的评估是“这是中国人有可能完成‘弯道超车’的一个标的目的”。

郑婉华说,能在这标的目的完成“弯道超车”靠的是有一支有实力、敢立异的研讨团队。团队成员多数是海内本身造就进去的,他们试验室80%以上的装备都是国产或自行研制的,与海内大都半导体激光试验室以及财产界比拟较,他们的前提不占上风,有的看起来还很掉队,乃至是处于劣势。“但咱们有可能完成‘换道超车’。”所谓“换道超车”,是说郑婉华团队在研讨上勇于自立立异,走了一条更有特点的成长之路。

低老本、高效力、低功耗

通俗半导体激光器的缺陷是光的汇聚能力差,由此招致了其在应用时的高老本、低效力、高功耗。

“激光的标的目的性是很好的,但半导体激光发射进来像一个年夜喇叭口,输入光重大发散。应用时只能接纳插手光学透镜组的要领。”据郑婉华先容,一个半导体激光器的功率一样平常在10瓦摆布,在高功率使用时往往需求成千盈百,乃至上万个半导体激光器组合起来,“假定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”。

郑婉华团队的研讨经由过程微布局调控光场,加强了半导体激光器的光束品质和汇聚能力。“从提出一些基来源根基理,好比复合腔、全光子能带道理直至用了最新的拓扑布局,都是缭绕着如许一个方针。经由过程微布局调控光场,使半导体激光器输入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。这项结果使用到现实中,“虽然尚不克不及把3万个光学元件全都取失,但有可能把光学元件削减到300个,完成了数目级的超过。”从市场角度,这种激光的使用将使资金和人力老本年夜幅度缩减。已往应用半导体激光器时,需求多透镜组进行光束整形,价格低廉、工序繁冗、制品率低,此刻用一个透镜就解决了问题,下降了技能难度和体系的庞大度,从而晋升了体系的不变性和应用寿命。

因为发光明度高、汇聚能力强,她们研制的光子晶体激光器的功率密度比本来的半导体激光器进步了几倍。在不异的激光功率密度要求下,要是通俗激光器需求2瓦电功率驱动,他们研发的激光器则只要要1瓦摆布,即只要要本来功率的50%~60%,整体功耗下降。低功耗、高不变性和小体积会给整系统统带来伟大的竞争上风。今朝,这种具备一系列自立常识产权的低老本、高效力、低功耗的高亮度半导体激光器技能正推向财产化,开端完成了郑婉华立志让半导体激光器更“好用”的初志。

充溢战役力的团队

郑婉华团队70%成员长短常有战役力的年青人。在她的领导下,团队成员学会了踏踏实实去摸索,他们为科研支付,远凌驾一样平常同龄人的艰苦,以高度的责任感和使命感自我严厉要求。郑婉华坦言:“不外从某种意义上讲,他们随着我作研讨也是蛮辛劳的。基本上没有周末和沐日。”

团队成员、副研讨员王宇飞自2009年插手团队,在快要10年的事情中,每一次集中攻关的科研阅历,都令他印象深入。“加班试验到深夜已是粗茶淡饭”,研制的激光器在名目验收时得到了同业专家和用户的一致好评是对这种辛劳支付的最好回报,“从实践推导到模拟仿真,计较成果再好,与完成器件的机能指标之间照旧会有很年夜差距”,这是在严厉磨练一个团队的迷信程度和能力。能禁受住末了的磨练,也归功于团队持久对峙不懈地研讨堆集。团队主干成员、研讨员渠红伟也暗示,团队协作,攻坚克难是团队的常态,“要是一件工作做不完,各人一路加班加点,干到清晨两三点是常事”。在团队事情中,郑婉华起首要求各人必需把彼此协作和撑持放在第一位。在她的领导和增进下,团队成员养成踊跃自动、好头不如好尾、双赢思维、协作增效、不停更新的好习气、好传统。

光子晶体激光的研讨是集基来源根基理、工艺技能、使用拓展为一体的体系性研讨,是以团队成员之间的协作是得到乐成的最基本包管。“要是一个好设法主意和思绪不克不及彻底贯彻,团队成员不具有攻坚克难的精力状况和意志,一项研讨底子就走不究竟,更不要说完成立异超过了。”

将来,团队的方针是“把半导体激光器前的透镜去失”,技能向行进步的每一点都需求连续不停的持久堆集。“这需求一个历程。咱们对此充溢信念。”郑婉华末了说。

《中国迷信报》 (2018-04-16 第6版 院所)
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Tags:激光器 半导体 方针 责任编辑:admin
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