見證光電的神奇力量

李佳

2002年，在國際研究量子級聯激光器的領域發生了兩件具有“里程碑”意義的大事：一是中紅外量子級聯激光器實現了室溫連續波工作；二是實現了太赫茲量子級聯激光材料的激射。這在當時引起了巨大轟動。

就在這一年，2002年6月，劉俊岐進入中國科學院半導體所材料科學重點實驗室工作，自此拉開他對電磁波研究的追逐賽。

伯樂難遇，千里馬難求

童年就夢想當一名工程師的劉俊岐，本科畢業于河北工業大學材料學院金屬材料專業。一次偶然的工作機遇讓他在做畢業論文時轉到了半導體材料。而正是這次偶然，成就了劉俊岐這匹“千里馬”。

談到只指導自己論文半年時間的“伯樂”張維連教授，劉俊岐滿是感恩。劉俊岐安靜、踏實的性格和在專業上的超強悟性讓張維連教授覺得他是一個難得的人才，極力推薦他報考中國科學院半導體研究所。2002年，如導師所愿，劉俊岐順利考上了。讀研時師從劉峰奇，并得受于德高望重的王占國院士的領導。而劉峰奇研究員率領的量子級聯課題的研究在當時已取得了較好成果，在國際上也享有較高知名度。面對這一切“必然”的到來，劉俊岐卻謙遜地說是自己比較“幸運”。

博士階段，劉俊岐主要做砷化鎵（GaAs）基的中遠紅外量子級聯材料研究，承擔了一些國家科研項目，以基礎研究為主，做相關器件研制。在這期間，研制出亞洲第一個GaAs/AlGaAs量子級聯激光器。關于量子級聯材料研究，劉俊岐說，首先要明白何為量子級聯激光器（QCL）。據劉俊岐詳細介紹，QCL是一種基于子帶間電子躍遷的中遠紅外波段單極光源，其工作原理與通常的半導體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態，在這些激發態之間產生粒子數反轉，該激光器的有源區是由耦合量子阱的多級串接組成而實現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”項目“垂直面發射中紅外單模激光器研究”時取得的成果：實現了世界上功率最高的垂直面發射量子級聯激光器，最高峰值功率3.68W，室溫工作時都超過了1W。而當時項目指標要求是100mW。在這項研究中，劉俊岐和團隊創新性地引入了金屬表面等離子體增強的垂直面發射技術，研究的相關文章發表后在國內外引起了非常高的關注。

實現太赫茲光

隨著太赫茲源、檢測技術及相關元器件的突破，太赫茲波一系列獨特的優越特性被發現并顯示出巨大的潛在應用前景。太赫茲技術已成為對現代科學技術、國民經濟、國防建設等領域具有重要影響的非常活躍的前沿學科，世界各國政府都對其發展高度重視。

在2004年，美國政府就已將太赫茲技術評為“改變未來世界的十大技術”之一，日本在2005年1月更是將太赫茲技術列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首，舉全國之力進行研發。我國政府也在2005年12月召開香山科學會議上，邀請國內多位在太赫茲研究領域有影響的院士專家們齊聚一堂，討論我國太赫茲事業的發展方向，并制定了我國太赫茲技術的發展規劃。

隨著科研條件的逐漸完善，2005年，劉俊岐的研究也從中遠紅外量子級聯激光器擴展到太赫茲。

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紅外光區域。太赫茲波兼有微波毫米波與紅外可見光兩個區域的特性，同時又與其他波段的電磁波具有非常強的互補性。作為一種新型光源，太赫茲波的安全性、寬帶性、“指紋譜性”、穿透性等獨特性質在物理、化學、生物醫學等基礎研究領域以及材料、航天、國家安全等技術領域具有重大的科學價值和廣闊的應用前景，如高分辨率成像、射電天文探測、環境監測、醫學診斷、材料表征、衛星通信、安全檢查等。

而發展太赫茲技術，要解決三個問題。劉俊岐介紹說：“第一個是解決太赫茲的材料問題，第二個是做器件的工藝，第三個是測試系統的建立。”盡管道路比較困難，但在不斷積累和堅持下，從材料制作到器件完成，從完善工藝到建立測試系統，劉俊岐和團隊克服種種障礙，最終實現了應用。2006年，團隊在前期研究基礎上研制出GaAs體系太赫茲量子級聯激光材料。2010年元旦過后，激光器終于研制成功了！劉俊岐如釋重負。

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，當劉俊岐盯著屏幕檢測光譜信號的時候，一道光從他眼前剎那閃過。頓時，整個實驗室沸騰起來。劉俊岐不敢相信自己的眼睛，4年，1400多個日日夜夜的等待，不知重復過多少次，失敗過多少次。對于太赫茲光的實現，如今的劉俊岐卻很釋然，笑著說這是一次“偶然”的成功。

打破儀器設備研制的壟斷

科學儀器設備的自主創新是科技自主創新的基礎與重要保障，是衡量一個國家科技水平和科技綜合競爭能力的重要標志。太赫茲儀器設備在物理學、生物醫學、材料科學、通信和雷達等領域也存在廣泛需求。同時，我國在太赫茲源研制技術，諸如量子級聯激光器技術等方面經過長期積累已具備了較好的基礎，開展太赫茲科學儀器設備研究的時機已經成熟。

2011年，我國設立了國家重大科學儀器設備開發專項，以相干強太赫茲源科學儀器設備開發為突破口，解決制約我國太赫茲技術發展的“瓶頸”問題，以打破國外高端技術及設備壟斷局面。

此時我國已經掌握了太赫茲量子級聯激光器技術，研制基于半導體太赫茲激光器的全息成像設備是此次開發專項的一個重要內容。在這一專項開發中，劉俊岐的團隊主要負責核心部件太赫茲量子級聯激光器的研制。該項目對器件連續波功率、器件功耗、光束質量都提出了近似苛刻的要求。因為器件工作在低溫下，制冷機制冷量有限，要求器件在具有較大功率的情況下功耗要盡可能低。同時，太赫茲光路復雜，要求激光器光束質量要好。經過一次又一次的試驗，劉俊岐和團隊在材料結構和器件結構上做了重大改進。團隊最終在實驗室實現太赫茲量子級聯激光器最高連續波輸出功率超過160mW，成為了國際最高指標。在此基礎上針對全息成像設備研制的器件也完全滿足系統應用。

騏驥一躍，功在不舍。對于科研，劉俊岐認為第一要自信，相信自己做的東西一定有用；第二是堅持；第三離不開團隊的協作。面對所取得的已達國際先進水平的科研成果，劉俊岐最大的心愿的是，希望“把科研成果轉化成應用，發揮社會價值”。相對于美國、歐洲、日本公司在市場上的科技轉化，我國企業在此方面的發展則顯得比較緩慢。而這一方面要靠國家的推動，一方面也靠宣傳推廣出去。最后，劉俊岐滿懷期待地說：“希望有責任有擔當的公司介入，科技成果要走出實驗室”。