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本报记者张强
2007年7月13日下午，重庆市合川区三汇镇磨子沟煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成5人受伤，4人生死不明。

　　2007年7月21日18时08分，位于辽宁省阜新市太平区的阜新鑫发煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，造成7人死亡。

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　　这样的例子举不胜举。近年来，我国煤矿多次发生事故，伤亡惨重，其中瓦斯爆炸占事故总数的一半以上。据有关部门统计，我国每年由于瓦斯爆炸造成的经济损失达几十亿元。及时准确检测瓦斯含量，对安全生产具有重要意义。

　　刘峰奇所做的研究就可以有效地解决这一问题。“利用红外量子级联激光器可以探测瓦斯气体浓度，因此可将其用于煤矿的安全报警系统。”这只是量子级联激光器众多用途之中的一个。

　　“量子级联激光器应用前景十分广泛，是我国急需的高新技术，必须抓紧时间进行研发。”刘峰奇说。

　　世界各国追踪的先进技术

　　1994年，贝尔实验室首次研制成功量子级联激光器，由于其全新的工作机理和急迫的军用、民用背景而在世界上引起了极大震动。

　　据介绍，量子级联激光器是一个量子工程和分子束外延技术相结合的创新产物，它是一种利用半导体耦合量子阱子带间电子跃迁而产生激光的单极性半导体激光器，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。

　　“以半导体低维结构材料为基础，通过人工设计和构成材料重正化性能的有效组合，为新型红外光源提供了新概念材料和器件，红外量子级联激光器是就是人工设计新概念材料和相应器件的典范。”刘峰奇说。

　　量子级联激光器的工作原理决定了它具有许多普通激光器所不具备的优点。“它具有两层含义。首先是量子含义，是指激光器由纳米级厚度的半导体异质结超薄层构成，利用量子限制效应，通过调节每层材料的厚度可以子带间距，从而调节波长；其次是级联含义，它的有源区由多级耦合量子阱串接组成，可实现单电子注入的倍增光子输出，可望获得大功率，而普通的半导体激光器是利于电子空穴对的复合发射光子，这是普通激光器不具备的一个性能。”刘峰奇介绍道。

　　基于以上特点，量子级联激光器开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河，拓宽了红外半导体激光器材料选取、器件设计的自由度，成为世界各国争相追踪的先进技术。

　　目前，在世界范围内，该领域的研究小组有20多个，中国大陆有中国科学院半导体研究所和上海微系统与信息技术研究所。1996年底，中科院半导体所材料科学重点实验室在王占国院士领导下，开始在“863”、“973”等项目资助下开展量子级联激光器研究。

　　迎难而上，攻克关键技术

　　“我们所研制的量子级联激光器是一种新型的红外激光器，波长属于中红外波段。我们立项时，国际上的进展也不是太好，但是，它是高新技术必争的一个竞争点，再难我们也要去做。”刘峰奇回忆道。

　　“激光器最关键的就是材料生长，材料生长过关了，器件水平才能上去。我们首先要把器件的材料水平提高，然后才能提高器件的指标水平，这就是我们这个863项目的主要任务。接下来，我们才能把研究成果向应用方向拓展。”

　　干任何事情都不是一帆风顺的，刘峰奇也不例外。

　　“在研究早期，我遇到的最大困难就是激光器材料制备。一方面，设备机时不够用。当时，我们的分子束外延设备要承担很多国家级研究项目。我们这个项目要求比其它项目苛刻，生长级联激光器材料要比生长其它的激光器材料对设备的本底洁净程度要求高。在同一设备上，生长完其它的激光器材料后，这对我们后续生长的级联激光器材料就是一种污染。所以，每当别人用完设备后，我们就必须要花费很多时间去清除已有的污染，让它符合级联激光器的生长条件和生长参数。另一方面，级联激光器材料由几百层甚至上千层纳米级厚度的超薄异质结材料构成，生长参数的选取和控制是非常困难的，生长参数的漂移经常导致材料质量劣化，后来我们采用应变补偿技术，可以使交替生长材料的参数漂移相互抵消。”

　　除此之外，没有相应的检测设备也使刘峰奇比较头疼。“前几年，红外波段方面没有相应的检测设备，这让我们很头疼。有时候，材料长好了，但做出来的器件是好是坏我们不知道，因为常规的光谱仪很难检测，需要碰运气。我们还是比较幸运的，克服了很多困难终于测出了结果，当时在国际上还引起了不小的反响。”

　　“我们当时做的激光器波长在4微米以下，而且实现了室温工作。当时，国际上还没有报道。因为，早期贝尔实验室用应变补偿的办法做激光器，结果性能不行，感觉行不通。而我经过调查研究后认为这是可以的，是一个很好的思路，我们在这方面做了深入的研究。”

　　“自从我们课题组实现3.5微米应变补偿量子级联激光器室温激射之后，美国西北大学采用我们类似的方法将激光器的性能提高了很多，目前世界上3—9微米范围的最好结果均采用应变补偿技术。”刘峰奇笑道。

　　“由于这件事情，在国内我们又申请到了一笔资金，去购买了专门针对我们的激光器的检测设备。经费解决之后，我们的项目进行得就很顺利了。”

　　这个863项目的完成使刘峰奇的课题组做出的红外量子级联激光器的综合指标居世界先进行列。

　　对于今后的工作，刘峰奇说，从潜在的应用方面考虑，高功率、室温和单模工作是级联激光器发展的必然趋势。但是，“尽管量子级联激光器经历了13年的发展，已经取得很大进展，但终究没有从根本上解决大电流注入所导致的热积累、热失配这个致命弱点。”

　　他说，热积累、热失配会导致量子级联激光器连续工作时的性能急剧退化、缩短器件寿命。因此，从设计思想上寻求突破、提高材料质量、改进器件制作工艺，对散热性能进行改进，提高量子级联激光器连续工作温度、连续工作时的稳定性以满足应用需求，是量子级联激光器研究的核心科学问题。

　　“这是我们今后的一个努力方向。”刘峰奇说。

　　量子级联激光器应用前景广阔

　　“量子级联激光器的应用范围非常广泛，可以说，只要是和气体检测有关的领域，它都可以派上用场。比如，煤矿瓦斯气体检测、汽车尾气检测和工业废气检测等等。除此之外，它在医学诊断和毒品检测等方面也有着广泛应用。”刘峰奇说起这种激光器的应用前景时很是兴奋。

　　“逐步探索量子级联激光器可能的应用，体现出量子级联激光器的特色，是今后量子级联激光器研究的一个重点。”自1998年以来，人们已经开始探索量子级联激光器在超高灵敏度气体检测、高速红外无线通讯等领域的应用并取得重要进展。然而，器件的性能还不足以达到实用化。为此，刘峰奇付出了大量的心血。

　　“刚开始，我们做激光器时，制定的波长都是带有随意性质的。但是，真正到实用阶段时，就要根据需要来制定激光器的波长。比如，煤矿瓦斯气体浓度检测，它需要的波长是7.66微米。每一种气体都有一定的特征吸收峰，也就是说需要一定的波长才能检测出来。”

　　“我们现在的器件性能已经可以进行实用化探索。下一步，我们要和一些企业合作，把它推向实用化。现在，我们又申请了一个863项目，要把原来的研究向前推进一步，准备把材料和器件性能提高后用于煤矿的瓦斯气体浓度是否超标等指标的检测，然后再一步步的推进。量子级联激光器可以使气体检测的灵敏度提高很多，可以说是目前最理想的。而且，利用7.66微米的量子级联激光器作为光源，研制开发红外瓦斯检测仪，国内外未见报道。”刘峰奇说。

　　“我们的材料和器件工艺都已经完备，可以小批量生产红外量子级联激光器。在实用化阶段，我们就要针对不同的要求，生产不同波长的激光器，这就是我们下一步要做的事情。”

　　目前，刘峰奇的课题组正在通过各种途径加强与企业的沟通交流，“希望将来能在大气污染检测、无损伤医学诊断、汽车尾气超标报警、煤矿的安全报警、远距离探测、以及各种传感器方面等进行可能的合作开发。”

　　“因为量子级联激光器结构设计复杂，材料制备、器件工艺等关键技术还没有完全解决，这为我们提供了机遇与挑战，留下了取得一些与世界水平相当的技术创新成果的空间。”刘峰奇对项目的未来充满了信心。