Освоение ключевых лазерных технологий: знакомство с академиком Ван Лицзюнем 

Освоение ключевых лазерных технологий: знакомство с академиком Ван Лицзюнем

В этом году исполняется 31 год с тех пор, как академик Ван Лицзюнь возглавил свою команду разработчиков мощных полупроводниковых лазеров, направив её в «путешествие во имя света». Вернувшись из Соединенных Штатов в 1995 году, Ван Лицзюнь принял руководство коллективом. Свою работу они начали с сосредоточения усилий на исследованиях и разработках (R&D) мощных полупроводниковых лазеров с увеличенным сроком службы и без использования алюминия, стремясь тем самым удовлетворить критически важные стратегические потребности в сфере национальной обороны. Одновременно с этим они согласовывали свои усилия с задачами развития китайской индустрии полупроводниковых лазеров и запросами национальной экономики, позволяя конкретным практическим потребностям направлять научный поиск и стимулировать передовые инновации. В 2014 году команда была удостоена Министерством науки и технологий звания «Инновационной команды в ключевой области» — признания, которое в полной мере подтвердило высокий уровень профессионализма и потенциал коллектива.

За 26 лет развития команда выросла с первоначальных пяти-шести участников до группы, насчитывающей несколько десятков человек. В её нынешний состав входят 18 сотрудников, имеющих высшие профессиональные квалификационные звания, и 37 штатных специалистов; кроме того, команда осуществляет научное руководство более чем 50 аспирантами и магистрантами, формируя таким образом надежный кадровый резерв, охватывающий три поколения: опытных ветеранов, экспертов среднего звена и молодых восходящих звезд.

В 2013 году Ван Лицзюнь был избран академиком Китайской академии наук. Он отметил, что «секретное оружие» команды в вопросах воспитания, привлечения и удержания талантов кроется в особой стратегии: «определении ключевых направлений развития коллектива на основе государственных потребностей, а также задании инновационной траектории команды с учетом прогностической ценности и стратегической значимости выбранных областей исследований».

Научные направления, разрабатываемые этой выдающейся командой, взаимно дополняют друг друга. Охватывая весь спектр работ — от выращивания материалов для полупроводниковых лазеров до обработки и изготовления чипов, а также последующих этапов объединения лазерных пучков, корпусирования и тестирования устройств, — команда располагает комплексной научно-исследовательской платформой в области полупроводниковых лазеров, находящейся на передовом уровне мировых стандартов. «Именно благодаря этой превосходной платформенной среде у членов нашей команды есть всё необходимое пространство для того, чтобы в полной мере раскрыть свой интеллектуальный потенциал», — отметил Нин Юнцян, научный сотрудник Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) и член данной команды.

Координация внутри этого выдающегося коллектива также отличается исключительной слаженностью. На макроуровне академик Ван Лицзюнь выступает в роли научного лидера и стратегического навигатора, организуя и планируя такие масштабные инициативы, как определение направлений развития дисциплины и внедрение результатов исследований в инженерную практику. В команде сформировалась атмосфера, характеризующаяся открытостью, гибкостью, здоровой конкуренцией и принципом отбора по заслугам; такой подход позволяет эффективно мобилизовать энтузиазм всех участников коллектива. Оценка эффективности работы основывается прежде всего на академических стандартах и ​​конкретных научных достижениях; кроме того, создана устойчивая система профессиональных технических званий, обеспечивающая бесперебойное и непрерывное выполнение научно-исследовательских работ.

Что касается повседневной деятельности, то исследователи команды реализуют междисциплинарное разделение труда, охватывающее как сферы технической экспертизы, так и области инновационных научных изысканий. Применяя подход, основанный на сотрудничестве и взаимной поддержке, они обеспечивают успешное и эффективное продвижение своих многочисленных проектов. Например, специалисты, отвечающие за общие технические направления, вносят стратегический вклад в передовые инновационные исследования, в то время как члены команды, сосредоточенные на этих прорывных изысканиях, берут на себя функции технической поддержки при разработке полупроводниковых лазеров.

«В этих двух областях мы осуществляем кросс-функциональное разделение труда и оказываем друг другу взаимную поддержку, тем самым совместно обеспечивая прогресс наших проектов и развитие всей дисциплины», — заявил Нин Юнцян.

Решая проблему сокращения срока службы устройств и нестабильности их работы — проблем, свойственных традиционным квантово-ямным лазерам на основе GaAlAs и вызванных окислением алюминия на торцах лазерного резонатора, — Ван Лицзюнь под своим руководством создал исследовательскую группу, заложившую основу для разработки новых систем конструкционных материалов с увеличенным сроком службы, использующих квантовые ямы, не содержащие алюминия. Основное внимание в их исследованиях было уделено двум ключевым направлениям: торцевым мощным лазерам с увеличенным сроком службы, а также мощным лазерам с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL). Посредством итеративного проектирования, моделирования и оптимизации этих новых безлюминиевых структур с квантовыми ямами Ван Лицзюнь и его команда совершили прорывы — и впоследствии полностью освоили — в ряде ключевых технологических процессов создания мощных лазеров, тем самым значительно повысив как однородность характеристик устройств, так и воспроизводимость результатов их производства. Параллельно они проводили исследования в области важнейших инженерных технологий и прикладных решений — включая изготовление лазерных чипов, высокоплотную корпусировку устройств и управление тепловыми режимами мощных систем, — что привело к существенному улучшению таких критически важных эксплуатационных параметров, как срок службы лазеров и эффективность преобразования энергии. В конечном итоге это позволило вывести данную технологию на уровень, пригодный для промышленного применения. В 1998 году команда успешно разработала одноэлементный полупроводниковый лазер с длиной волны 808 нм, способный обеспечивать непрерывную выходную мощность 3,6 Вт при сроке службы, превышающем 5000 часов. В 2004 году они стали первыми в мире, создав мощный лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) с непрерывной выходной мощностью 1,95 Вт, причем шесть ключевых эксплуатационных показателей этого устройства достигли мирового уровня. Впоследствии, в 2010 году, они первыми в стране разработали лазерный источник киловаттного класса с высоким качеством пучка, предназначенный для использования в системах мощного лазерного противодействия.

Исследовательская группа успешно разрушила устоявшуюся парадигму — ранее общепринятую в научном сообществе, — согласно которой лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) пригодны лишь для работы на низких уровнях мощности: от милливатт до десятков милливатт. Посредством тщательного теоретического анализа они всесторонне обосновали возможность эксплуатации этих лазеров на высоких уровнях мощности, достигающих ваттного диапазона. Команда выступила пионером в разработке ряда новых концепций проектирования — включая структуры с множественными областями усиления, структуры с градиентным составом и брэгговские зеркала (DBR) с модуляционным легированием, — а также успешно преодолела ряд критических технических препятствий в процессах изготовления чипов и корпусировки устройств. В 2004 году они установили мировой рекорд плотности оптической мощности, достигнув показателя 33,4 кВт/см² для одноэлементного VCSEL в импульсном режиме работы (длительность импульса 10 нс, частота повторения 100 Гц), а также получили непрерывную выходную мощность 1,95 Вт от одного излучающего элемента. По сравнению с традиционными конструкциями, существовавшими ранее, это достижение означало почти стократное увеличение оптической мощности, что существенно расширило потенциальную сферу применения устройства и привлекло к нему внимание мирового сообщества.

Одновременно с повышением эксплуатационных характеристик полупроводниковых лазеров Ван Лицзюнь активно содействовал трансферу и коммерциализации технологий создания мощных полупроводниковых лазеров. Ориентируясь на потребности внутреннего рынка, его команда разработала широкий спектр лазеров и интегрированных модулей, охватывающий пять основных серий и включающий десятки различных наименований продукции: от одноэмиттерных лазеров и линейных лазерных линеек до многослойных (стековых) лазерных линеек, матриц лазеров с поверхностным излучением и лазерных источников с объединением пучков. С тех пор эти инновационные разработки были внедрены на сотнях предприятий и в научно-исследовательских учреждениях по всему Китаю.

Начиная с 2016 года, опираясь на свои ключевые патенты, команда начала создавать партнерства на долевой основе, что позволило сформировать две дочерние компании (спин-оффа), специализирующиеся на технологиях полупроводниковых лазеров: Changguang Ruisi Technology Co., Ltd. и Changguang Shikong Technology Co., Ltd. Опираясь на прочную научно-исследовательскую базу в области технологий VCSEL (лазеров с вертикальным резонатором) и конструирования приборов, а также заручившись поддержкой властей провинции Цзилинь, города Чанчунь и Зоны экономического и технологического развития, в июне 2020 года команда приступила к строительству Национального инновационного центра полупроводниковых лазеров (в статусе подготовительного этапа). Общий объем инвестиций в проект составил 1,4 млрд юаней; ожидается, что к концу 2021 года объект будет полностью введен в эксплуатацию и готов к началу производства лазерных пластин.

Каждое из этих достижений стало кульминацией огромной самоотдачи и упорного труда Ван Лицзюня и членов его команды; так, одни лишь исследования в области без-алюминиевых полупроводниковых лазеров с квантовыми ямами потребовали десятилетия интенсивной работы и череды технических прорывов, а коллектив, занимающийся мощными полупроводниковыми лазерами, трудится вместе, не покладая рук, уже более двадцати лет. Размышляя об этих успехах, Ван Лицзюнь отметил: «Эти достижения принадлежат Чанчуньскому институту оптики, точной механики и физики (CIOMP), а также всей нашей команде; за каждой наградой и почестью стоит коллективный труд всех причастных к общему делу». И действительно, как он справедливо заметил, Ван Лицзюнь посвятил сфере полупроводниковых лазеров почти сорок лет — период, который практически полностью совпадает с историей становления лазерной индустрии его страны: от стадии зарождения — к обретению лидирующих позиций, от дефицита кадров — к изобилию высококлассных специалистов. Под его руководством коллектив вырос с первоначальных пяти-шести человек до нескольких десятков сотрудников, превратившись в мощную исследовательскую структуру, отличающуюся сбалансированной базой знаний, высочайшими научными стандартами и значительным инновационным потенциалом. Охватывая весь спектр деятельности — от теоретических исследований до практического технологического проектирования, а также сферу междисциплинарной интеграции, — коллектив продолжает наращивать свой потенциал в области совместных инноваций.

**Бесшовное сотрудничество: вклад в социальное развитие**

В настоящее время исследовательская группа Ван Лицзюня сосредоточила свои усилия на изучении мощных полупроводниковых лазеров. Эта область обладает огромным прикладным потенциалом и утвердилась в качестве важнейшего фундаментального компонента, а также ключевой базовой технологии как для развития национальной экономики, так и для укрепления обороноспособности страны. Стремясь ответить на важнейшие стратегические вызовы государственного масштаба, коллектив фокусирует свои исследования на вопросах выращивания материалов и теории приборов, технологических процессах изготовления устройств, методах объединения лазерных пучков, практическом применении лазеров, а также на разработке комплексных системных решений.

За последние 26 лет коллектив неизменно добивался прорывных результатов. Ряд этих достижений был отмечен высшими государственными наградами, включая Национальную премию за технологические изобретения и Национальную премию за научно-технический прогресс; кроме того, группа неоднократно удостаивалась наград первой степени за научно-технический прогресс от правительства провинции Цзилинь.

Группа Ван Лицзюня стала первопроходцем на международной арене, представив новую структурную и конструктивную концепцию для вертикально-излучающих полупроводниковых лазеров (VCSEL) с широкой запрещенной зоной и барьерами, находящимися в состоянии растяжения. Это нововведение позволило создать одноэмиттерный лазерный диод, способный генерировать импульсное излучение мощностью 92 Вт. Данное достижение получило высокую оценку в американском издании *Semiconductor Today*, опубликовавшем материал под заголовком «VCSEL устанавливает рекорд выходной мощности — 92 Вт»; впоследствии американский журнал *Laser Focus World* также признал этот результат новым рекордом для одноэмиттерных лазеров с вертикальным излучением, достигших пиковой импульсной мощности в 92 Вт. Различные типы VCSEL-устройств, разработанные в ходе этих пионерских исследований, нашли практическое применение в самых разных областях, включая лазерную накачку, лазерные взрыватели и лазерную дальнометрию.

За 26 лет непрерывного развития, формирования научных традиций и накопления опыта коллектив выработал уникальную способность всецело посвящать себя слаженной, совместной работе. Сосредоточив свои усилия на передовых рубежах мировой науки в области мощных полупроводниковых лазеров, группа сумела привлечь в свои ряды новое поколение исследователей. Более того, позволяя практическим потребностям определять направление научных изысканий, они активно способствуют укреплению и ускорению процесса внедрения передовых инновационных результатов исследований в конкретные практические приложения — как для оборонного сектора, так и для промышленности. «Командный дух — отличающийся стойкостью, смелым подходом к инновациям и отвагой бросать вызов самым границам науки и техники — это наследие, которое мы, представители среднего и молодого поколений, с гордостью переняли от ученых-первопроходцев, работавших до нас», — отмечает Нин Юнцин. В последние годы коллектив мобилизовал свои исследовательские ресурсы для проведения работ по созданию VCSEL-лазеров (лазеров с вертикальным резонатором), способных функционировать при высоких температурах. Им удалось последовательно добиться прорывов в решении сложнейших задач — таких как структурное проектирование и синтез новых материалов (например, InAlGaAs), — а также впервые обеспечить высокоэффективную работу VCSEL-лазеров с длиной волны 795 и 894 нм в условиях повышенных температур. Это достижение закладывает прочный фундамент для разработки и внедрения систем атомного зондирования — ярким примером которых служат атомные часы чипового масштаба — в таких областях, как навигация и морские исследования. Лазерная обработка материалов является одной из передовых технологий в современном промышленном секторе, и уровень владения этой технологией служит прямым отражением прочности промышленной базы страны. На фоне масштабной кампании по возрождению традиционных промышленных центров Китая на Северо-Востоке страны, Группа по разработке мощных полупроводниковых лазеров играет активную роль в использовании открывающихся новых возможностей. Применяя передовые технологии полупроводниковых лазеров для развития индустрии производства оборудования, они последовательно преодолевают монополию зарубежных производителей на ключевые виды продукции, одновременно повышая стандарты отечественного лазерного машиностроения и тем самым внося значительный вклад в социально-экономическое развитие и технологический прогресс нашей страны.

**В гармонии с национальными потребностями: курс на инновационное развитие**

Благодаря многолетним упорным усилиям в коллективе Ван Лицзюня сформировалось твердое убеждение: движущей силой развития научной дисциплины должны служить национальные потребности. Вследствие этого они сделали приоритетной задачу по интенсификации процесса внедрения передовых научных инноваций в практическую деятельность — как в сфере национальной обороны, так и в промышленности. Кроме того, Ван Лицзюнь создал в коллективе атмосферу, отличающуюся открытостью, гибкостью, здоровой конкуренцией и принципом отбора кадров исключительно по заслугам. Такой подход позволяет в полной мере раскрыть энтузиазм сотрудников — чья эффективность оценивается прежде всего по их научному потенциалу и результатам исследовательской деятельности, — обеспечивая при этом формирование стабильного и высокопрофессионального штата технического персонала. Ван Лицзюнь сохраняет глубокую уверенность в перспективах будущего применения мощных полупроводниковых лазеров. Он неоднократно выступал с рекомендациями и стратегическими советами касательно расширения сферы деятельности китайской промышленности по производству оборудования в направлении «интеллектуального производства».

Ван Лицзюнь отмечает: «В последние годы наше государство оказывало существенную политическую поддержку сектору полупроводниковых лазеров, и смежные отрасли действительно добились стремительного прогресса. Тем не менее общий объем инвестиций остается недостаточным, а накопленная нами база ключевых технологий — все еще неадекватной; как следствие, значительная доля рынка высококлассных полупроводниковых лазеров по-прежнему занята зарубежной продукцией».

В ответ на колоссальный спрос на чипы для датчиков LiDAR в многочисленных отечественных отраслях — включая сферу интеллектуальных подключенных транспортных средств, умной робототехники и интеллектуальных транспортных систем, — а также перед лицом суровой реальности, заключающейся в том, что чипы для датчиков LiDAR стали критическим «узким местом» в технологической цепочке, исследовательская группа объединила усилия с профессором Сун Цзюньфэном из Цзилиньского университета. Совместно они запустили исследовательскую инициативу, сфокусированную на разработке базовых чипов для полностью твердотельных систем LiDAR. Цель этой инициативы — освоить технологии оптоэлектронной интеграции на кремниевой основе, совместимые с полупроводниковыми лазерами и КМОП-процессами; получить глубокое понимание фундаментальных теорий и передовых методологий проектирования, лежащих в основе систем LiDAR; а также совершить прорывы в области технологий базовых чипов, которые в настоящее время сдерживают развитие полностью твердотельных систем LiDAR. Тем самым проект стремится проложить путь к широкому внедрению высокопроизводительных систем LiDAR в Китае и обеспечить теоретическую и техническую поддержку для будущих приложений в сфере интеллектуальных лазерных сенсорных технологий. Полупроводниковые лазеры служат основными источниками света в таких областях, как связь стандарта 5G, оптические межсоединения для обработки больших данных, искусственный интеллект и лазерное производство. Они представляют собой стратегически важную ключевую технологию для развития отечественных отраслей оптической связи, интеллектуальных сенсорных систем и передового производства, тем самым обеспечивая фундамент для реализации национальных стратегий — включая «Умные города», «Большие данные», «Цифровой Китай», «Искусственный интеллект» и «Сделано в Китае 2025», — а также для создания новой национальной инфраструктуры и обеспечения среднесрочного и долгосрочного научно-технического развития страны. Такие национальные планы развития, как «Основные направления средне- и долгосрочной программы развития науки и техники (2006–2020 гг.)» и «Дорожная карта развития индустрии оптоэлектронных устройств Китая (2018–2022 гг.)», четко определили технологии полупроводниковых лазеров в качестве ключевого научно-технического приоритета, требующего целенаправленного развития. Хотя индустрия полупроводниковых лазеров занимает критически важные стратегические позиции в ключевых сферах национальной экономики, отечественные производители оптоэлектронных устройств, будучи многочисленными, в совокупности всё же не обладают достаточной мощью; кроме того, отрасль страдает от чрезмерной зависимости от импорта высокотехнологичных лазерных чипов — что представляет собой острую проблему «узкого места». Генеральный секретарь Си Цзиньпин подчеркнул: «Ключевые базовые технологии невозможно получить путем просьб, покупок или переговоров». Лишь твердо взяв эти ключевые технологии в собственные руки, мы сможем фундаментальным образом обеспечить экономическую безопасность страны, безопасность в сфере национальной обороны, а также другие аспекты национальной безопасности. С этой целью Ван Лицзюнь и его команда продолжают сплоченно и настойчиво трудиться, стремясь к тому, чтобы лазерная индустрия нашей страны внесла свой достойный вклад в дело реализации великой «китайской мечты».