王立军院士：发展高功率半导体激光，构筑智能制造与国家安全的战略底座

本文作者：中国科学院院士、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员 王立军

在人类科技发展的历史长河中，每一次核心工具的跃升都伴随着产业革命的激荡。如果说微电子技术是20世纪信息技术的基石，那么光电子技术则是21世纪推动智能制造、前沿科学与国家安全的“核心引擎”。而在浩如烟海的光电子器件中，高功率半导体激光器（High-PowerSemiconductorLasers）凭借其极高的电光转换效率、极其紧凑的体积、卓越的可靠性以及宽广的波长覆盖范围，已无可争议地成为现代激光技术的基石。

从作为高能固态激光器与光纤激光器的核心泵浦源，到直接参与航空航天、高端材料加工、深海深空探测，再到深入生命科学领域的精准医疗与脑科学研究，半导体激光的演进正不断突破传统光学与固体物理的边界。然而，随着现代应用场景向极端环境和极高能量密度不断拓展，传统单一管芯的功率输出与光束质量已逼近物理极限。面对日益严苛的国家战略需求，依托材料外延生长理论的突破、微纳制造工艺的迭代与多维光谱合束技术的深度融合，构建超高亮度、超高功率的半导体激光系统，不仅是抢占全球光电技术制高点的必然趋势，更是深刻重构大国科技竞争力的底层逻辑。

近年来，我国在该领域的自主创新与产业布局双管齐下，通过跨学科的联合攻关，正逐步实现从技术跟踪向并跑、甚至在部分核心领域领跑的战略跨越。全面梳理高功率半导体激光技术的发展脉络，剖析其面临的深层次挑战，并为未来的高质量发展制定科学的战略规划，对我国建设科技强国具有不可估量的时代价值。

近二十年来，我国高功率半导体激光技术紧扣国家重大战略需求，在底层材料学、量子物理机制与核心器件制备工艺上实现了跨越式突破，逐步建立起自主可控的技术体系。

1.外延生长与无铝量子阱技术的突破

半导体激光器的核心在于其内部的量子阱发光层。传统的含铝（Al）材料体系在极高功率运转时，极易因端面氧化引发光学灾变损伤（COMD），这是长期以来限制器件寿命与峰值功率的核心壁垒。国内科研力量，特别是长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）的科研团队，前瞻性地布局了无铝量子阱（Al-freeQuantumWell）大功率边发射激光器的研究。通过精准调控金属有机化学气相沉积（MOCVD）与分子束外延（MBE）的生长动力学过程，成功实现了原子级别的界面控制，大幅降低了非辐射复合中心的密度，从根本上提升了器件的端面损伤阈值与长期工作可靠性，打破了高功率与长寿命难以兼得的物理魔咒。

2.面发射激光器（VCSEL）的瓦级跨越

垂直腔面发射激光器（VCSEL）因其圆对称的光束分布、易于二维阵列集成以及极低的制造成本，在光通信与3D传感领域大放异彩。然而，由于其极短的增益区与严重的内部热效应，大功率输出长期以来被视为国际公认的学术难题。我国科研团队打破了国际旧有理论框架的束缚，从热动力学与载流子输运的底层逻辑出发，系统攻克了外延结构的热阻抗匹配与高功率芯片封装的热管理等核心瓶颈。团队在国际上率先从理论上阐明了瓦级大功率VCSEL运作的可行性，并成功研制出92瓦脉冲单管激光器，一举刷新了该领域的国际纪录，为VCSEL在激光雷达（LiDAR）与大功率泵浦领域的应用开辟了全新纪元。

3.高光束质量的多维合束技术

半导体激光的固有缺陷在于其发光面积大导致的光束质量较差（即高阶横模运转）。为了在提升功率的同时保持接近衍射极限的光束质量，国内团队在微光学整形与合束技术上取得了重大进展。通过空间合束、偏振合束以及更为前沿的波长束合束（WBC）技术，利用高衍射效率的外腔光栅网络，将成百上千个独立发光的半导体激光单元的能量在空间与光谱上高度重合。这一技术的突破，使得我国成功构建了万瓦级、高光束质量的半导体激光直排系统，其亮度指标已可直接比肩传统的光纤激光器，促成了先进激光制造生态的全面繁荣。

高功率半导体激光的价值不仅在于其自身的卓越性能，更在于其作为“万源之源”，在光电子产业链中发挥的巨大“乘数效应”，深刻赋能高端制造与前沿科学。

1.赋能高端装备制造与工业升级

作为光纤激光器与全固态激光器的绝对核心泵浦源，半导体激光的功率密度与光谱稳定性直接决定了下游激光加工装备的性能上限。目前，基于自主半导体泵浦源的高能激光系统已广泛应用于航空航天特种合金的3D打印（增材制造）、新能源汽车动力电池的极耳焊接以及半导体晶圆的精密切割中。此外，随着直接半导体激光器（DDL）光束质量的大幅提升，其在金属表面淬火、熔覆等表面工程领域的直接应用比例正迅速攀升，展现出无可比拟的能效优势。

2.生物光子学与复杂医疗集成系统的基石

在生命科学与医学工程领域，半导体激光技术正引发一场深刻的诊断与治疗革命。高功率半导体激光作为非线性频率转换（如倍频、光学参量振荡）的优质基频光源，为产生高质量的532nm超快（纳秒、皮秒、飞秒）激光提供了底层支撑。这类超快绿光激光在临床医学中具有极高的应用价值，其“冷加工”特性使其在诸如深度烧伤创面的精准备皮、坏死组织清创及微观网格化植皮等外科手术中，能够实现对目标组织的精准剥蚀，同时将周围健康组织的热损伤降至最低，极大地提升了术后愈合效率。

更为前沿的是，半导体激光技术的发展正有力推动着0.5-15μm宽带中红外激光（如量子级联激光器QCL与带间级联激光器ICL）的研制。这一波段涵盖了绝大多数生物大分子的振动吸收峰。在此基础上，我国科研人员正前瞻性地利用高分辨率二维红外光谱（2D-IR）技术，以前所未有的微观视角探索神经退行性疾病的致病机理。例如，在阿尔茨海默症（AD）的早期诊断中，以水-蛋白相互作用为切入点，通过捕捉特定波长红外光激发下的光谱变化，建立病理演化过程中的“水分子指纹”特征库。这种基于光-物质振动耦合机制的原型检测系统，有望在器质性病变发生前，实现对AD蛋白病理演化的超早期判别。

此外，在国家脑科学专项的推动下，高功率与微型化半导体激光阵列正在成为复杂医疗集成系统的核心发光组件。通过将高亮度光致源与经颅光刺激（tPBM）、经颅电刺激、磁刺激、微等离子体及高强度聚焦超声（HIFU）技术深度融合，科研人员正致力于开发国产化的增强现实（AR）局部视觉刺激器及多模态神经调控装备。这些系统的研发，不仅为抑郁症、帕金森病等脑神经重大疾病提供了无创干预的新路径，也标志着我国在光机电算医深度交叉的尖端装备领域迈出了坚实步伐。

3.构筑国家安全的战略长城

在国防安全与深远海探测方面，高功率半导体激光阵列是发展高能定向能武器（DEW）不可或缺的基础。其紧凑的体积使得在机载、舰载等机动平台上部署百千瓦级防空反导防御系统成为可能。同时，在深海战略中，基于特定波段（如蓝绿光）的大功率半导体激光器能够有效穿透海水“光学窗口”，为潜艇隐蔽通信、水下高分辨率三维成像与深海探测提供了不可替代的战术手段。

尽管我国在高功率半导体激光的系统集成、终端应用与部分核心理论层面取得了举世瞩目的成就，但对标国际顶尖水平与国家极致安全的战略要求，产业生态与基础研究仍面临多重深层次挑战。

1.高端产业链仍存“卡脖子”风险，自主可控面临大考

半导体激光产业是一个高度依赖极端制造工艺的领域。当前，尽管我们在中下游封装与应用端占据了巨大的市场份额，但在最核心的产业链上游——例如超高纯度的大尺寸晶圆衬底（GaAs、InP）制备、高端MOCVD与电子束曝光微纳加工设备的自主化方面，仍与国际巨头存在代差。此外，在应对千瓦级甚至万瓦级热通量的高端封装材料（如高热导率金刚石热沉、微流控微通道冷却器及特种无损焊料）上，一定程度上依然依赖进口。这种“头重脚轻”的产业结构，在复杂多变的国际地缘政治博弈中，极易成为制约产业长远发展的隐患。

2.前沿物理机制探索与极限性能突破遭遇瓶颈

随着器件向更高功率密度、更短脉冲宽度和更窄线宽极限演进，传统的半导体物理模型已显得捉襟见肘。诸如在高注入条件下的载流子泄漏机制、严重的热透镜效应导致的光束畸变、以及极端非线性光学效应引起的芯片内部光丝化现象，都成为限制亮度进一步跃升的核心壁垒。如何从量子力学与能带工程的极微观层面重新设计有源区，如何在纳米尺度精准调控光子与声子的相互作用，亟待基础性、原创性理论的深度突破。

3.产学研用协同效率有待优化，跨越“死亡之谷”依然艰难

在技术向产业化转化的浪潮中，部分地方政府与资本受短期利益驱动，缺乏严谨的前期论证，盲目跟风投资中低端激光器封装产线，导致产业出现低水平重复建设与局部产能过剩。相反，面向深空深海探测、脑科学精准医疗等极端前沿场景的特种定制化光源开发，由于其研发周期长、试错成本高、初期市场规模小，往往缺乏长期的系统性资金投入。高校和科研院所产生的大量具有国际前沿水平的基础科研成果，由于缺乏有效的中试熟化平台与工程化验证机制，难以顺利跨越科技成果转化的“死亡之谷”，造成了国家科研资源的隐性浪费。

面对新一轮科技革命与产业变革的历史性交汇，高功率半导体激光产业的高质量发展必须坚持系统观念与底线思维，从源头基础创新到产业协同全链条进行宏观布局。

1.重视顶层设计规划，筑牢科技强国底层根基

半导体激光技术是一项融合了量子力学、材料科学、热力学与微电子工程的系统性宏大工程。为确保我国在这一前沿领域持续占据乃至扩大优势地位，必须依托国家重点研发计划等战略科研资源，从国家层面进行高瞻远瞩的顶层设计。在基础理论方面，应加大对新型发光材料体系（如低维量子点材料）、拓扑光子学在半导体激光中的应用等前沿交叉学科的投入，夯实底层理论基础；在核心关键技术上，推行“揭榜挂帅”机制，集中优势科研力量展开深度攻关，全力破解极端条件下的热管理、光束整形与高端微纳制造等难题，将核心技术的命门牢牢掌握在自己手中。

2.统筹产业宏观布局，提升创新资源配置效能

针对当前部分地区激光产业发展中存在的盲目扩张与低端内卷现象，亟需从国家层面进行科学统筹与战略引导。应在国家科技创新总体规划的框架下，指导各类研发平台与大型生产基地进行差异化、特色化布局，确保产业布局与区域经济禀赋相匹配。更重要的是，国家应主导建设一批具备国际互认资质的光电测试标准中心与国家级中试验证公共服务平台。通过降低底层芯片流片与极端环境测试的资金与技术门槛，打破不同创新主体间的硬件壁垒，让宝贵的科研资源得到最充分的共享与利用。

3.凝聚产学研用力量，构建自主可控的融通生态圈

破除科技与经济“两张皮”的痼疾，关键在于机制创新。应鼓励并引导行业内拥有强大整合能力的“链主”企业，联合顶尖高校、科研院所及下游高端装备应用方，组建体系化、任务型的创新联合体。以国家重大工程与前沿医疗卫生需求为牵引（如高端医工交叉装备、脑计划专项），形成“需求提出-定向研发-验证迭代-规模应用”的正向闭环。特别是要鼓励半导体激光技术跨界融入生命科学、人工智能等新兴赛道，催生新的产业形态和商业模式。

4.厚植高端人才沃土，共筑国际竞争优势话语权

科技竞争归根结底是人才的竞争。半导体激光领域亟需既精通微观物理机制，又熟悉宏观工程控制的复合型领军人才。国家应完善多元化的人才培养与激励机制，在高校学科设置中强化光机电算跨学科交叉培养。同时，鼓励国内科研工作者积极参与甚至主导国际光电标准制定，在国际舞台上发出统一而有力的中国声音，全面提升我国在全球光电产业竞争格局中的话语权与规则制定权。

千川汇海阔，风好正扬帆。高功率半导体激光技术作为现代光电子产业的“心脏”，其发展水平已成为衡量一个国家科技硬实力的重要标尺。站在新的历史起点上，我们既要坚定道路自信，充分肯定我国在该领域取得的历史性跨越；也要保持清醒头脑，直面核心底层的“卡脖子”痛点。只要我们凝心聚力，坚持基础理论与工程实践的协同创新，就一定能够打造出完全自主可控的光电子产业链与效益链，推动我国从激光大国稳步昂首迈向激光强国，为中华民族的伟大复兴与科技自立自强保驾护航。

@文章刊登于《中国科技产业》杂志202606期“院士专论”