原创长光所Light中心中国光学收录于话题#Light人物14个

编者按

Light人物是Light:ScienceApplications发起的高端人物系列访谈，本期我们邀请到了世界纳米激光领域的领军人之一、白光激光的发明者宁存政教授。他所领导的研究小组在半导体纳米光电子学方面创造了多项世界第一，包括世界上首次实现突破衍射极限、尺寸小于半波长的等离子激元半导体激光器；世界上首次实现电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转；首次实现四元纳米合金及单一基底上合金半导体纳米线能隙调控及连续可调激射世界纪录等。

本期宁教授将向我们讲述他和纳米激光、纳米光电器件尺寸小型化极限多年“斗争”的故事以及在科研道路上的心得体会和经验教训，接下来让我们一起跟随Light记者，聆听宁教授与激光器“那些年”里的“那些事”。

宁存政教授

清华大学电子工程系教授，美国亚利桑那州立大学电机系终身教授。年和年分别获得西北大学物理学学士和硕士学位，年于德国斯图加特大学获物理博士学位，师从世界著名物理学家哈肯(HermannHaken)教授，年在美国亚利桑那大学进行博士后研究，年担任美国国家航空航天总署（NASA）AMES研究中心资深科学家，创建纳米光学研究组，并任纳米技术项目经理，年任日本东京大学固体物理研究所ISSP访问教授，年任德国柏林工业大学访问教授。曾获得多项奖励，包括电气工程师学会杰出讲师奖，NASA纳米技术奖，CSC杰出贡献奖，因白光激光的发明获美国《PopularScience》年度十大发明奖，年获德国洪堡研究奖。早期曾在量子及非线性非平衡系统、激光动力学等方面做出过重要贡献，包括随机相干共振现象和激光中几何位相的发现。近二十年主要从事纳米光电子学研究，在纳米半导体合金材料及等离子激元纳米激光方面做出多项开创性贡献。

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Light记者：您从事量子光学、激光物理等方面的研究工作已有30多年，近20年来主要聚焦于纳米尺度上的激光器以及光放大器等未来芯片上光电集成的核心器件。您在纳米激光及纳米线光电材料方面，做出了一系列重大发现、发明及开拓性研究贡献，特别是白光激光的发明。我们很想知道，您从去德国攻读博士学位的时候开始的经历以及如何确立自己的研究领域？能否谈谈您在研究纳米激光器过程中遇到的主要困难？

宁存政：年我赴德国攻读博士学位，初衷就是奔着德国著名物理学家，也就是我后来的导师HermannHaken（哈肯）去的。作为德国当代著名的科学家，上世纪60年代他将激光研究从美国引入德国，在固体物理、激光物理、量子光学等领域有着举足轻重的影响力。他创立的“协同学”曾风靡全球。但我86年去德国时他的兴趣已经不在激光物理了。今天大家对深度学习比较熟悉，当时他给我的第一个研究课题就是非马尔科夫过程下的学习过程，具体是如何通过建立数学物理模型，理解和模拟大脑的认知和学习过程。但是这个课题对我来说太新，且与我当时的背景相差较大，最终选择了自己较为熟悉的激光领域，当时主要的研究方向是激光里的非线性动力学、包括随机动力学、双光子激光、激光物理、及量子光学等课题。哈肯给我的自由度相当大，所以我有很多时间去探索不同的东西，包括当时较热的几何位相等。当时还有一个选择，就是首次听到的量子计算。深度学习和量子计算都是今天很热的课题，可惜各种原因，与我30多年前失之交臂。年我赴美国亚利桑那大学攻读博士后，开始研究半导体光电子器件及激光。年到美国航空航天总署（NASA）的AMES研究中心开始研究纳米光电子。年后我将焦点转入纳米激光领域。以上是我过去35年研究经历的时间轴。

我做纳米线材料及激光器始于年，应该算是做光电子领域最早的人之一，此前纳米线研究者基本都是化学家和材料学家。我当时在《科学》杂志上看到加州大学伯克利分校杨培东组发表的一篇文章，文中讲到他们在直径不到头发丝百分之一的半导体纳米线上实现了世界上最小的激光器——纳米激光器，这是半导体激光器小型化的一个重大转折，这一发明将有可能用于未来的光子计算机。该成果引起了我极大的兴趣，特别是直径那么小的纳米线怎么会支持激光模式，我便邀请杨培东来NASA作报告。我们后来的研究发现，线两端的散射提供了激射所需的反馈机制，即“镜面”，从而解释了纳米线为什么会激射。这是我从事纳米激光研究的开端，也是从那时开始了与杨培东长达十几年的合作。

作为半导体材料，纳米线是一类很有意思的研究对象。我们做半导体光电器件的人都知道，衬底或叫基底是薄膜外延生长光电材料的关键，衬底的晶格常数基本决定了我们可以生长的材料及其能隙，同时也决定了我们能做出的光电器件的波长。而我们很多应用，比如太阳能电池、半导体照明等希望能在一个给定的基底上实现很大范围的能隙或波长，但囿于晶格常数的限制，我们目前还无法做到这点。与之相比纳米线有一个好处，它对生长基底不敏感，所以大概在年开始我想利用这一优势，把纳米线的能隙工程或者发光波长的调谐范围，通过合金组分的控制做到极限。正所谓，有时候你的短板也是你的优势，我的专业并不是做材料的，所以我能够突破常规束缚提出一些非常规的想法，我想能否在一个比如说长方形基底上，一端生长一个窄带的半导体，另外一端生长宽带的半导体，在中间生长二者的合金，而且在空间上从一端到另一端连续调控组分，这样的单一基底上空间组分连续可调的东西是我们之前用常规的薄膜外延方法无法想象的。大约在年左右，我还在NASA期间，我们曾尝试用这种办法生长铟镓锑（InGaSb），试图实现波长从近红外到中红外的连续调控，试了2~3年，虽然没有完全成功，但我们成功生长了GaSb,实现了第一个近红外的单根纳米线激光。年，我到亚利桑那州立大学后继续这一研究，但始终没有在III-V族材料上取得成功，后来我招了个博士后——湖南大学潘安练，他对II-VI族材料比较熟。最后我们在II-VI族材料上成功实现了我的想法,即通过空间连续的组分调控，在单一基底上首次实现了从绿到红连续波长可调，并首次实现波长调谐范围达多纳米的可调激光，后来在此基础上，我们还发展出了双梯度法，实现了二维空间的合金组分调控，也将组分推广到包括发蓝光的宽带合金，即单一基底发射全部可见光。当时遇到的技术上的困难主要是如何在基底上一定距离内使温度分布接近所要生长的各个合金组分生长的最佳温度，但有时候与技术问题相比，观念上的突破和遇到悲观的阻力时所需的勇气更加重要，记得当时我把这个想法告诉了一个材料生长专家，他说这个根本不可能，并列举了很多原因。但无知者无畏，我想反正成本不高，不如试一试，最后终于成功了。以上就是我在研究纳米激光器过程中遇到的主要困难。

你们提到的白光激光就是在此基础上实现的！这是我最满意的工作之一，也是一个绝路逢生的例子，我稍微多说几句。如何在单体半导体或单个器件中实现多色或白色激射是大家一个长久的梦想，但传统薄膜外延生长无法实现，因为发不同波长光的半导体晶格常数及生长条件差别太大，无法一起生长，这也是我们直到今天还无法实现纯半导体照明的根本原因。在单一基底或单根纳米线多色发光的可行性被证明后，我在想如何能在单体的半导体纳米结构上实现多色同时激射，但我们分析后发现纳米线不是一个理想的结构，因为短波长发射总被窄带材料吸收。所以我们想能否把不同能隙的材料生长成多部、单体、并行的矩形纳米薄膜，这样不同的材料发出不同的波长，在相应的矩形腔中振荡，从而实现多波长激射。很快我们证明了这种办法可以在单一结构上实现红绿双色的激射。但后来我们在尝试增加一个发蓝光的宽带半导体时却陷入了困境，由于生长条件差别太大，我们无法将发红绿蓝三色光的三种材料都生长成矩形薄膜，特别是生长成一个单体！几年的努力中多次遇到无路可走，学生要放弃，真的是山穷水尽。有时候你的认真、坚持、努力，会有些意想不到的回报，“柳暗花明”不一定出现在“疑无路”的同一方向或同一条道路上。直接生长行不通，我们在不断地尝试中偶然发现离子置换可以将原来发红光的半导体薄膜变为发蓝光的合金，这样我们通过对生长条件的动态调控，先生长出发红光的薄膜，再将它置换为发蓝光的合金，在此基础上再依次生长出发绿光和红光的材料，将三种能隙的材料生长成一个单体的矩形薄膜，但含三个并行部分，能分别支持三色同时激射，而且可以通过对泵浦分别调控实现任何可见光的激射，终于在年实现了世界上首个白光激光。这一成果很快受到世界媒体的

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