半導(dǎo)體激光器是當(dāng)今最重要的激光光源，它輸出功率大，電光轉(zhuǎn)換效率高。但是，普通半導(dǎo)體激光器光束發(fā)散角大、匯聚能力低、光束質(zhì)量差，使用中需要配合特定的整形光路，這使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，制約其廣泛應(yīng)用。

鄭婉華（左三）團隊在人民大會堂合影

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華研究員及其研究團隊長期在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域開拓，經(jīng)過二十多年的學(xué)術(shù)積累，他們成功在外延材料和器件中引入光子晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電子能帶與光子模場的聯(lián)合調(diào)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(jīng)復(fù)雜整形而應(yīng)用，使激光系統(tǒng)大為簡化。相關(guān)成果獲得2017年國家技術(shù)發(fā)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(dǎo)體激光領(lǐng)域已經(jīng)耕耘了27年，1988年她以排名第一的成績畢業(yè)于山東大學(xué)光學(xué)系，被保送進入我國激光領(lǐng)域著名專家許祖彥院士門下求學(xué)，畢業(yè)后進入中科院半導(dǎo)體所工作，從事半導(dǎo)體激光材料與器件的研究。1994年她到香港繼續(xù)深造，其間在夏建白院士的指導(dǎo)下完成了微納結(jié)構(gòu)能帶調(diào)控多波長發(fā)光研究，為她此后的研究奠定了深厚基礎(chǔ)?！叭斯の⒔Y(jié)構(gòu)對材料的發(fā)光有很好的調(diào)控作用?！编嵧袢A說，她的團隊的研究就是要把這種性能和半導(dǎo)體激光結(jié)合起來，進而突破現(xiàn)有半導(dǎo)體激光性能提升的技術(shù)瓶頸。

半導(dǎo)體激光已經(jīng)發(fā)展了60多年，從效率、成本和輸出功率看，是優(yōu)秀的激光光源?！暗褪强芍苯邮褂玫纳伲科湓蚴撬缓糜??！编嵧袢A多年的研究目標(biāo)就是讓半導(dǎo)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(dǎo)體所工作；從去香港攻讀博士學(xué)位到美國麻省理工學(xué)院做高級訪問學(xué)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(dǎo)體激光性能這一初心辛勤耕耘，最終在微結(jié)構(gòu)調(diào)控半導(dǎo)體激光器性能方面走出了一條自主發(fā)展的道路，研究出來的半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵性能達到了國際領(lǐng)先水平，她研制出的激光器也在多個項目中發(fā)揮了重要作用，開拓出多項應(yīng)用。

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

鄭婉華說，能在這方向?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”靠的是有一支有實力、敢創(chuàng)新的研究團隊。團隊成員大都是國內(nèi)自己培養(yǎng)出來的，他們實驗室80%以上的設(shè)備都是國產(chǎn)或自行研制的，與國內(nèi)多數(shù)半導(dǎo)體激光實驗室以及產(chǎn)業(yè)界相比較，他們的條件不占優(yōu)勢，有的看起來還很落后，甚至是處于劣勢?！暗覀冇锌赡軐崿F(xiàn)‘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(chuàng)新，走了一條更有特色的發(fā)展之路。

低成本、高效率、低功耗

普通半導(dǎo)體激光器的缺陷是光的匯聚能力差，由此導(dǎo)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(dǎo)體激光發(fā)射出去像一個大喇叭口，輸出光嚴(yán)重發(fā)散。使用時只能采用加入光學(xué)透鏡組的方法。”據(jù)鄭婉華介紹，一個半導(dǎo)體激光器的功率一般在10瓦左右，在高功率應(yīng)用時往往需要成百上千，甚至上萬個半導(dǎo)體激光器組合起來，“假設(shè)一個半導(dǎo)體激光器前加三個光學(xué)元件，一萬個半導(dǎo)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(jié)構(gòu)調(diào)控光場，增強了半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量和匯聚能力?！皬奶岢鲆恍┗驹恚热鐝?fù)合腔、全光子能帶原理直至用了最新的拓撲結(jié)構(gòu)，都是圍繞著這樣一個目標(biāo)。通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控光場，使半導(dǎo)體激光器輸出光不再是個發(fā)散的橢圓光斑，而是一個低發(fā)散的圓光斑?！编嵧袢A解釋道。這項成果應(yīng)用到實際中，“雖然尚不能把3萬個光學(xué)元件全都取掉，但有可能把光學(xué)元件減少到300個，實現(xiàn)了數(shù)量級的跨越?！睆氖袌鼋嵌?，這種激光的應(yīng)用將使資金和人力成本大幅度縮減。過去使用半導(dǎo)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(xiàn)在用一個透鏡就解決了問題，降低了技術(shù)難度和系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。

由于發(fā)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(dǎo)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(qū)動，他們研發(fā)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(wěn)定性和小體積會給整體系統(tǒng)帶來巨大的競爭優(yōu)勢。目前，這種具有一系列自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本、高效率、低功耗的高亮度半導(dǎo)體激光器技術(shù)正推向產(chǎn)業(yè)化，初步實現(xiàn)了鄭婉華立志讓半導(dǎo)體激光器更“好用”的初衷。

充滿戰(zhàn)斗力的團隊

鄭婉華團隊70%成員是非常有戰(zhàn)斗力的年輕人。在她的帶領(lǐng)下，團隊成員學(xué)會了腳踏實地去探索，他們?yōu)榭蒲懈冻?，遠超出一般同齡人的艱辛，以高度的責(zé)任感和使命感自我嚴(yán)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(guān)的科研經(jīng)歷，都令他印象深刻?！凹影鄬嶒灥缴钜挂咽羌页１泔垺保兄频募す馄髟陧椖框炇諘r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(dǎo)到模擬仿真，計算結(jié)果再好，與實現(xiàn)器件的性能指標(biāo)之間還是會有很大差距”，這是在嚴(yán)格考驗一個團隊的科學(xué)水平和能力。能經(jīng)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(xié)作，攻堅克難是團隊的常態(tài)，“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(xié)作和支持放在第一位。在她的帶領(lǐng)和促進下，團隊成員養(yǎng)成積極主動、有始有終、雙贏思維、協(xié)作增效、不斷更新的好習(xí)慣、好傳統(tǒng)。

光子晶體激光的研究是集基本原理、工藝技術(shù)、應(yīng)用拓展為一體的系統(tǒng)性研究，因此團隊成員之間的協(xié)作是獲得成功的最基本保證?！叭绻粋€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(tài)和意志，一項研究根本就走不到底，更不要說實現(xiàn)創(chuàng)新跨越了。”

未來，團隊的目標(biāo)是“把半導(dǎo)體激光器前的透鏡去掉”，技術(shù)向前進步的每一點都需要持續(xù)不斷的長期積累?！斑@需要一個過程。我們對此充滿信心?！编嵧袢A最后說。