南開大學(xué)孫軍教授：逆流而上，為光電材料盡一份力

2019年4月8日，在最新一期的光學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《激光與光子學(xué)評論》上，一張彩色的南開大學(xué)百年校慶紀(jì)念徽標(biāo)照片十分特別。

這是南開大學(xué)弱光非線性光子學(xué)教育部重點實驗室利用剛剛研獲的鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)制備最新技術(shù)，在僅有頭發(fā)絲粗細(xì)的鈮酸鋰材料橫截面上加工出的。

這份給南開大學(xué)百年校慶的特殊獻(xiàn)禮，也表明南開大學(xué)團(tuán)隊能夠“雕刻”出納米尺度的鈮酸鋰光學(xué)微納結(jié)構(gòu)，攻克了鈮酸鋰微小尺度加工這一阻礙鈮酸鋰光子學(xué)集成芯片研發(fā)的世界難題。

鈮酸鋰校慶紀(jì)念徽（左）、納米結(jié)構(gòu)（插圖）電子束顯微成像和光學(xué)成像照片

鈮酸鋰因其豐富的光電性能而聞名，已成為最廣泛使用的光電材料之一。但在中國，因為各種原因，鈮酸鋰行業(yè)的發(fā)展頗為曲折，南開大學(xué)是當(dāng)中最早也是為數(shù)不多的且長期堅持下來的研究單位。

鈮酸鋰晶體加工的晶片和光學(xué)器件

孫軍教授就是南開大學(xué)鈮酸鋰晶體研究團(tuán)隊中的一員。從1999年本科畢業(yè)進(jìn)入905廠開始從事鈮酸鋰晶體研究，到去南開大學(xué)攻讀碩博學(xué)位繼續(xù)探索，再到今天，孫軍一直在鈮酸鋰晶體領(lǐng)域里專注了二十余年。

這是一條漫長的研究之路，當(dāng)好不容易撥開黑夜的迷霧，看到黎明的曙光時，孫軍并沒有自喜，反而表現(xiàn)出很強(qiáng)的迫切感和焦慮感，“國內(nèi)鈮酸鋰晶體材料和光電器件的發(fā)展仍沒有形成有效的產(chǎn)業(yè)鏈條，我們只是在個別應(yīng)用領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，如果我們不能解決全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的問題，我們的材料和器件被卡脖子的局面將難以打破。”

登山始覺天高廣，到海方知浪渺茫。鈮酸鋰晶體材料之于孫軍來說，亦是如此。

逆流而上，二十年不忘初心

1969年，寧夏培養(yǎng)的唯一一名中國工程院院士——何季麟，當(dāng)時大學(xué)剛剛畢業(yè)，從繁華的首都輾轉(zhuǎn)來到905廠報到，下火車后傻了眼，連站臺都沒看到，也沒人知道他要去的那家軍工三線單位——神秘的“905”在什么地方。

“905”，即中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司前身——寧夏有色金屬冶煉廠、西北稀有金屬材料研究院的軍工單位代號。后來，他順著廠里自備鐵路的鐵軌，背著行李一步步走到了廠里。

住在半截房子在地下的地窩子，面朝戈壁，條件雖然艱苦，但是作為國家重要的軍工單位，不少家庭條件優(yōu)越、成績優(yōu)秀的大學(xué)生被派到賀蘭山下的905廠，開始了艱難的創(chuàng)業(yè)路。他們不僅奉獻(xiàn)了自己的青春，還將家庭扎根在大西北。

905廠建設(shè)初期，由于自然條件惡劣，地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重落后，子女的教育和發(fā)展同樣受到很大影響，且由于當(dāng)時科技發(fā)展水平的限制，不少職工和下一代受到了多種職業(yè)病的影響?！矮I(xiàn)完青春獻(xiàn)終身，獻(xiàn)完終身獻(xiàn)子孫。”這些老一輩們在賀蘭山的荒原上用寶貴的年華創(chuàng)造出一個個奇跡，為國家原子能、航空、航天、電子、冶金、化工等行業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。

905建廠早期和原鈮酸鋰晶體生產(chǎn)車間

（圖片來自：口述寧夏）

三十年后，孫軍來到905廠時，905已經(jīng)轉(zhuǎn)型發(fā)展為綜合性新材料研發(fā)和生產(chǎn)單位，下屬有上市公司、有西北稀有金屬材料研究院、國家工程中心，躋身世界鉭鈮行業(yè)三強(qiáng)之一，工作和生活方面條件都得到極大的改善，但是與內(nèi)地和沿海發(fā)達(dá)地區(qū)相比，仍存在較大差距。但老一輩不計個人得失、為國奉獻(xiàn)、勤奮進(jìn)取的精神，卻深刻地影響著孫軍。

中南大學(xué)材料物理專業(yè)畢業(yè)的孫軍被分配到905廠新成立的晶體分廠。這是一段難忘的經(jīng)歷，這里沒有森嚴(yán)的等級制度，敬業(yè)精神根植到每個人的心中，周末只要沒特殊情況，老一輩的科技人員、廠院領(lǐng)導(dǎo)都主動去義務(wù)加班。

作為一個剛畢業(yè)的大學(xué)生，孫軍有工作上的問題，都可以直接跟分廠領(lǐng)導(dǎo)甚至廠院領(lǐng)導(dǎo)溝通。

孫軍回憶，當(dāng)時集團(tuán)的上市公司東方鉭業(yè)領(lǐng)導(dǎo)張宗國，多次在下班的路上向他了解工作情況，從廠院出來推著自行車邊走邊聊，到單身宿舍樓前時還意猶未盡，時常要在門口站著聊上許久。

905廠委派孫軍到南開大學(xué)參與光電用鈮酸鋰晶體和器件的聯(lián)合科研工作。其后，孫軍在南開大學(xué)攻讀碩博期間，仍在繼續(xù)鈮酸鋰晶體相關(guān)的研究工作。

孫軍從事的工作，大部分都圍繞國防領(lǐng)域的需求開展，有些研究工作成果不便公開發(fā)表論文，也沒太多精力去撰寫論文，這在早期唯論文現(xiàn)象比較突出的大環(huán)境下，對孫軍個人的考核和評價影響較大。

孫軍感慨地說，能夠堅持下去，一方面是科研團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人——其導(dǎo)師許京軍教授的大力支持和鼓勵，另一方面就是因為在905廠的工作經(jīng)歷。905廠老一輩科技人員的奉獻(xiàn)精神，已成為孫軍的力量源泉，鼓舞著他在鈮酸鋰晶體和器件產(chǎn)品化、實用化這條漫長而寂寞的道路上堅持下去。

孫軍仿佛站在何季麟院士當(dāng)年下火車后的小站上，在“國家急需、世界一流”的牽引下，他逆流而上，沿著鈮酸鋰晶體和器件產(chǎn)品化這條鐵軌，一步一步地往前走，就這樣走了20余年。

幾十年浮沉，走過漫長探索路

說到鈮酸鋰晶體在國內(nèi)的發(fā)展，孫軍用“讓人歡喜讓人憂”來評價。

鈮酸鋰晶體是集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變及激光活性等效應(yīng)于一身的人工合成晶體。

自1937年發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰后，科研人員主要研究集中在晶體結(jié)構(gòu)、基本物性等方面，直到1965年前蘇聯(lián)和美國科學(xué)家用提拉法得到大尺寸單晶后，對鈮酸鋰性質(zhì)的研究才更加深入，在壓電器件中逐步得到應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，鈮酸鋰晶體又作為重要的非線性光學(xué)晶體、電光晶體等被廣泛關(guān)注。特別是1980年，業(yè)界發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰晶體摻鎂后可以極大地提高抗光折變性能后，更是在全世界范圍內(nèi)掀起了一股研究鈮酸鋰晶體的熱潮，鈮酸鋰晶體摻雜工程開始迅速發(fā)展。

摻釹鈮酸鋰激光晶體

但就是這樣一個應(yīng)用廣泛并與日常生活密切相關(guān)的晶體，在國內(nèi)的發(fā)展極不平坦。在壓電器件應(yīng)用的聲學(xué)級晶體方面，鈮酸鋰晶體也曾掀起研發(fā)和生產(chǎn)的熱潮。

上世紀(jì)八九十年代，由于彩色電視機(jī)所需聲表面波濾波器的拉動，905廠、德清華瑩、上海東城、丹江口宏電、中電26所、徐州半導(dǎo)體等近二十家單位一度達(dá)到年產(chǎn)幾十噸的產(chǎn)能，主要供給國內(nèi)器件廠家。但隨著國外聲表面波器件興起對國內(nèi)器件廠家的沖擊，國內(nèi)鈮酸鋰晶體曾經(jīng)歷過的繁華，如同曇花一現(xiàn)，很快就萎縮了。

到了上世紀(jì)九十年代后，移動電話和移動基站等對聲表面波濾波器件的需求快速上升，帶來鈮酸鋰晶體發(fā)展的又一波高潮。孫軍遺憾地介紹，國產(chǎn)的聲表面波濾波器件并未能進(jìn)入這個市場，而被EPCOS、Avago、村田、AVX等國外公司占領(lǐng)。國內(nèi)的聲學(xué)級晶體也隨之淪落為替補(bǔ)，僅僅滿足個別企業(yè)和軍工院所的低端需求或特殊需求，這個需求量與移動電話和通信基站的需求相比，不可同日而語。

在光電器件應(yīng)用的光學(xué)級鈮酸鋰晶體方面，與聲表面波器件一樣，光通訊應(yīng)用的電光調(diào)制器市場被國外廠商控制，且形成龐大的產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)只有武漢郵電科學(xué)研究院、北京世維通為數(shù)不多的幾家單位以及一些軍工單位在生產(chǎn)調(diào)制速率較低的產(chǎn)品或特殊軍用產(chǎn)品。

“這是個惡性循環(huán)。”孫軍說，由于缺乏市場需求的牽引拉動，導(dǎo)致國內(nèi)的聲學(xué)級和光學(xué)級鈮酸鋰晶體的生產(chǎn)都沒有形成規(guī)模，產(chǎn)品化技術(shù)就更難實現(xiàn)突破，再加上高端應(yīng)用晶片的加工設(shè)備和加工技術(shù)也受制于人，鈮酸鋰晶體在國內(nèi)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化道路更是步履維艱。

之后，國內(nèi)大多開展鈮酸鋰晶體研究的單位如中科院上海硅酸鹽所、中科院上海光機(jī)所、中科院物理所、中科院聲學(xué)所、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)等都停止或大幅削減了相關(guān)研究，905廠的晶體分廠等生產(chǎn)單位停止了鈮酸鋰晶體的生產(chǎn)。

如果鈮酸鋰晶體的研究被徹底放棄，國外一旦對我國實施嚴(yán)格出口限制，不僅僅是對光通訊、數(shù)字通信、激光技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的影響，同樣對國防科技發(fā)展的安全也會造成難以估量的影響。

幸運(yùn)的是，在萬馬齊喑中，還有南開大學(xué)團(tuán)隊等一批研究人員在堅持著。

南開大學(xué)是國內(nèi)最早開展鈮酸鋰生長、性能及應(yīng)用研究的單位之一，從上個世紀(jì)70年代開始從事鈮酸鋰晶體的生長和性能研究。

無論鈮酸鋰晶體是處于研究的高潮還是低谷，五十年來，在鈮酸鋰晶體的浮沉發(fā)展中，南開大學(xué)始終沒有放棄鈮酸鋰晶體的研究工作，“我們不是為了盲目堅持而堅持，也沒有盲目去追逐熱點，而是基于對鈮酸鋰晶體材料的充分認(rèn)識和未來發(fā)展的科學(xué)判斷做出的選擇?！睂O軍說。

持之以恒地堅持研究，也使得南開大學(xué)在鈮酸鋰的理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面有了很好的銜接，形成了一條龍的研究局面。

在這條漫長的探索路上，沒有研究成果產(chǎn)業(yè)化后的巨大收益，甚至有可能連掌聲和鮮花都沒有。擺在眼前只是一復(fù)一日的枯燥而進(jìn)展緩慢的科研工作。

“有些東西它可能在國內(nèi)沒有非常大的市場需求，但它又對國計民生、國防等方面非常重要，這些事情總歸要有人去做?！睂O軍說這句話時，腦中再次閃現(xiàn)出905廠老一輩科研人員的畫面。

沖過最艱難的關(guān)隘，跨越鈮酸鋰的高峰

時代終不辜負(fù)有心人?！皼]有妄念”的南開大學(xué)50年的付出收獲了累累碩果。

上世紀(jì)80年代，南開大學(xué)聯(lián)合西南技術(shù)物理研究所開展的高摻鎂鈮酸鋰晶體原創(chuàng)性研究，將晶體的抗光損傷能力提高一個數(shù)量級以上，高摻鎂鈮酸鋰晶體也被國際上譽(yù)為中國之星“China Star”。

1986年南開大學(xué)摻雜鈮酸鋰晶體成果鑒定會

從90年代開始的十余年里，南開大學(xué)圍繞鈮酸鋰系列晶體的光折變性能開展大量研究，發(fā)現(xiàn)了許多新效應(yīng)、新機(jī)制并且提出了新應(yīng)用，研制了三維全息光存儲器樣機(jī)，首次發(fā)現(xiàn)了可見光波段高抗光折變摻鎂鈮酸鋰晶體，又恰恰是紫外波段優(yōu)秀的光折變材料，孫軍的導(dǎo)師許京軍教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊也因此獲得了國家自然科學(xué)二等獎。

光學(xué)級鈮酸鋰晶體

孫軍在南開大學(xué)的二十年間，他們團(tuán)隊主要以光通訊、激光以及國防領(lǐng)域?qū)Ω吖鈱W(xué)均勻性、高抗光損傷能力、高溫度適用性的光學(xué)級鈮酸鋰晶體的需求為牽引，將鈮酸鋰晶體的光學(xué)均勻性提高了近2個數(shù)量級，抗光損傷能力提高6個數(shù)量級以上，實現(xiàn)了實用化光學(xué)質(zhì)量的更優(yōu)性能近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的廉價制備。

三英寸近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶片

團(tuán)隊研制的系列鈮酸鋰電光調(diào)Q晶體激光損傷閾值、溫度穩(wěn)定性和連續(xù)工作使役壽命大幅提高，不僅能夠滿足最嚴(yán)苛的溫度適用性軍用標(biāo)準(zhǔn)，在面向汽車自動駕駛應(yīng)用的連續(xù)工作激光雷達(dá)中，連續(xù)激光輸出的工作時間從原有晶體的30分鐘以內(nèi)提高到24小時×30天以上，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

隨著“新基建”的提出，5G的逐漸普及，再加上突如其來的疫情，人們開始了“云生活”，這對光通訊行業(yè)產(chǎn)生了促進(jìn)作用。在云計算、虛擬現(xiàn)實、高清視頻等諸多因素的促進(jìn)下，光通訊建設(shè)將拉開持續(xù)升級的大幕，鈮酸鋰晶體又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

鈮酸鋰晶體在集成光子學(xué)芯片、量子信息等方面的應(yīng)用，讓它重新得到國內(nèi)外的高度重視。

據(jù)了解，業(yè)界普遍認(rèn)為鈮酸鋰晶體有望成為電子時代走向光子時代時的“光學(xué)硅”材料。2017年，哈佛大學(xué)評述鈮酸鋰晶體器件研究進(jìn)展時，就類比“硅谷”提出了要發(fā)展“鈮酸鋰谷”。

然而，如何實現(xiàn)鈮酸鋰器件的微納化、集成化，是各國科學(xué)家競相研究的世界性難題。

這也是南開大學(xué)團(tuán)隊一直高度關(guān)注的方向，經(jīng)過五年的工藝研發(fā)與技術(shù)攻關(guān)，許京軍教授和任夢昕副教授等科研人員于去年終于在鈮酸鋰微納尺度的加工方面取得突破性進(jìn)展，在僅百納米厚度的鈮酸鋰薄膜表面加工出了有序周期排列的納米線陣列。

那張南開大學(xué)百年校慶紀(jì)念徽標(biāo)照片，也標(biāo)志著人們已具備基于鈮酸鋰晶體實現(xiàn)納米尺度下精細(xì)操控光行為的能力，為鈮酸鋰晶體這一獨(dú)特的光電材料在微納光子學(xué)、集成光子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用開啟了大門。

這些成績，固然讓孫軍他們感到喜悅，但更讓他們感到欣喜的是，有更多的人和研究機(jī)構(gòu)開始陸續(xù)加入對鈮酸鋰的研究。

孫軍表示，近年來國內(nèi)一直在追蹤、跟進(jìn)國際上鈮酸鋰的發(fā)展，晶體生長、加工的技術(shù)能力與國外比雖然存在一定的差距，但在研究方面基本上保持了與國際同步發(fā)展。

然而，前幾年的中興和近期的華為事件，還是讓他產(chǎn)生了強(qiáng)烈的危機(jī)感。

“在當(dāng)前嚴(yán)峻的國際形勢下，我希望上下游要‘不畏浮云遮望眼，風(fēng)物長宜放眼量’，包括光通信、數(shù)字通信、激光應(yīng)用等單位，要與電光調(diào)制器、相位調(diào)制器、聲表面波濾波器、電光器件等單位以及鈮酸鋰晶體材料研發(fā)和生產(chǎn)單位聯(lián)合起來，不僅要解決眼下核心器件受制于人的局面，更要著眼于未來集成光子學(xué)的發(fā)展，積極爭取政府支持，上下游共同實現(xiàn)真正的自主可控、良性發(fā)展?！?/p>

孫軍的話透露出迫切但又是那么真摯的感情，想在自己的位置上為鈮酸鋰晶體和器件行業(yè)的發(fā)展出一份力。

“面壁十年圖破壁，難酬蹈海亦英雄”，這是南開大學(xué)優(yōu)秀校友周恩來總理所作七言絕句中的兩句詩，這也正是孫軍作為一名南開大學(xué)科研人員從事鈮酸鋰晶體工作的寫照。