——记中国科学院半导体研究所研究员刘俊岐

本刊记者　李 佳

　　 
　　2002年，在国际研究量子级联激光器的领域发生了两件具有“里程碑”意义的大事：一是中红外量子级联激光器实现了室温连续波工作；二是实现了太赫兹量子级联激光材料的激射。这在当时引起了巨大轰动。
　　就在这一年，2002年6月，刘俊岐进入中国科学院半导体所材料科学重点实验室工作，自此拉开他对电磁波研究的追逐赛。
　　
伯乐难遇，千里马难求
　　
　　童年就梦想当一名工程师的刘俊岐，本科毕业于河北工业大学材料学院金属材料专业。一次偶然的工作机遇让他在做毕业论文时转到了半导体材料。而正是这次偶然，成就了刘俊岐这匹“千里马”。
　　谈到只指导自己论文半年时间的“伯乐”张维连教授，刘俊岐满是感恩。刘俊岐安静、踏实的性格和在专业上的超强悟性让张维连教授觉得他是一个难得的人才，极力推荐他报考中国科学院半导体研究所。2002年，如导师所愿，刘俊岐顺利考上了。读研时师从刘峰奇，并得受于德高望重的王占国院士的领导。而刘峰奇研究员率领的量子级联课题的研究在当时已取得了较好成果，在国际上也享有较高知名度。面对这一切“必然”的到来，刘俊岐却谦逊地说是自己比较“幸运”。
　　博士阶段，刘俊岐主要做砷化镓（GaAs）基的中远红外量子级联材料研究，承担了一些国家科研项目，以基础研究为主，做相关器件研制。在这期间，研制出亚洲第一个GaAs/AlGaAs量子级联激光器。关于量子级联材料研究，刘俊岐说，首先要明白何为量子级联激光器(QCL)。据刘俊岐详细介绍，QCL是一种基于子带间电子跃迁的中远红外波段单极光源，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成而实现单电子注入的多光子输出。
　　工作初期，最让刘俊岐感到满意的就是在主持国家“863”项目“垂直面发射中红外单模激光器研究”时取得的成果：实现了世界上功率最高的垂直面发射量子级联激光器，最高峰值功率3.68W，室温工作时都超过了1W。而当时项目指标要求是100mW。在这项研究中，刘俊岐和团队创新性地引入了金属表面等离子体增强的垂直面发射技术，研究的相关文章发表后在国内外引起了非常高的关注。
　　
实现太赫兹光
　　
　　随着太赫兹源、检测技术及相关元器件的突破，太赫兹波一系列独特的优越特性被发现并显示出巨大的潜在应用前景。太赫兹技术已成为对现代科学技术、国民经济、国防建设等领域具有重要影响的非常活跃的前沿学科，世界各国政府都对其发展高度重视。
　　在2004年，美国政府就已将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本在2005年1月更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府也在2005年12月召开香山科学会议上，邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士专家们齐聚一堂，讨论我国太赫兹事业的发展方向，并制定了我国太赫兹技术的发展规划。
　　随着科研条件的逐渐完善，2005年，刘俊岐的研究也从中远红外量子级联激光器扩展到太赫兹。
　　太赫兹（THz）波是指频率从0.1THz到10THz，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于毫米波与红外光之间，涵盖了亚毫米波及远红外光区域。太赫兹波兼有微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，同时又与其他波段的电磁波具有非常强的互补性。作为一种新型光源，太赫兹波的安全性、宽带性、“指纹谱性”、穿透性等独特性质在物理、化学、生物医学等基础研究领域以及材料、航天、国家安全等技术领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景，如高分辨率成像、射电天文探测、环境监测、医学诊断、材料表征、卫星通信、安全检查等。
　　而发展太赫兹技术，要解决三个问题。刘俊岐介绍说：“第一个是解决太赫兹的材料问题，第二个是做器件的工艺，第三个是测试系统的建立。”尽管道路比较困难，但在不断积累和坚持下，从材料制作到器件完成，从完善工艺到建立测试系统，刘俊岐和团队克服种种障碍，最终实现了应用。2006年，团队在前期研究基础上研制出GaAs体系太赫兹量子级联激光材料。2010年元旦过后，激光器终于研制成功了！刘俊岐如释重负。
　　任何科研成绩的获得都离不开长期思索、忍耐和勤奋，让刘俊岐最难忘的则是偶然的一刹那。同是2010年元旦过后，当刘俊岐盯着屏幕检测光谱信号的时候，一道光从他眼前刹那闪过。顿时，整个实验室沸腾起来。刘俊岐不敢相信自己的眼睛，4年，1400多个日日夜夜的等待，不知重复过多少次，失败过多少次。对于太赫兹光的实现，如今的刘俊岐却很释然，笑着说这是一次“偶然”的成功。
　　
打破仪器设备研制的垄断
　　
　　科学仪器设备的自主创新是科技自主创新的基础与重要保障，是衡量一个国家科技水平和科技综合竞争能力的重要标志。太赫兹仪器设备在物理学、生物医学、材料科学、通信和雷达等领域也存在广泛需求。同时，我国在太赫兹源研制技术，诸如量子级联激光器技术等方面经过长期积累已具备了较好的基础，开展太赫兹科学仪器设备研究的时机已经成熟。
　　2011年，我国设立了国家重大科学仪器设备开发专项，以相干强太赫兹源科学仪器设备开发为突破口，解决制约我国太赫兹技术发展的“瓶颈”问题，以打破国外高端技术及设备垄断局面。
　　此时我国已经掌握了太赫兹量子级联激光器技术，研制基于半导体太赫兹激光器的全息成像设备是此次开发专项的一个重要内容。在这一专项开发中，刘俊岐的团队主要负责核心部件太赫兹量子级联激光器的研制。该项目对器件连续波功率、器件功耗、光束质量都提出了近似苛刻的要求。因为器件工作在低温下，制冷机制冷量有限，要求器件在具有较大功率的情况下功耗要尽可能低。同时，太赫兹光路复杂，要求激光器光束质量要好。经过一次又一次的试验，刘俊岐和团队在材料结构和器件结构上做了重大改进。团队最终在实验室实现太赫兹量子级联激光器最高连续波输出功率超过160mW,成为了国际最高指标。在此基础上针对全息成像设备研制的器件也完全满足系统应用。
　　骐骥一跃，功在不舍。对于科研，刘俊岐认为第一要自信，相信自己做的东西一定有用；第二是坚持；第三离不开团队的协作。面对所取得的已达国际先进水平的科研成果，刘俊岐最大的心愿的是，希望“把科研成果转化成应用，发挥社会价值”。相对于美国、欧洲、日本公司在市场上的科技转化，我国企业在此方面的发展则显得比较缓慢。而这一方面要靠国家的推动，一方面也靠宣传推广出去。最后，刘俊岐满怀期待地说：“希望有责任有担当的公司介入，科技成果要走出实验室”。
　　
专家简介
　　岐，中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室研究员、硕士生导师。2007年3月获中国科学院半导体研究所博士学位。主要研究领域：量子级联激光器及应用、红外光探测器及应用。主持和承担国家自然科学基金项目、国家“863”项目、国家“973”项目、国家重大科学仪器设备开发专项、中科院重大项目等共10余项。
　　在中远红外半导体器件研究领域取得了一系列成果，研制出亚洲第一个GaAs/AlGaAs量子级联激光器；实现太赫兹量子级联激光器输出光功率从毫瓦级到瓦级的重大突破；研制出世界首支波长超过19μm的甚长波红外量子级联探测器。累计发表论文100余篇，授权专利10余项。