南開大學孫軍教授：逆流而上，為光電材料盡一份力

2019年4月8日，在最新一期的光學領域國際權威期刊《雷射與光子學評論》上，一張彩色的南開大學百年校慶紀念徽標照片十分特別。

這是南開大學弱光非線性光子學教育部重點實驗室利用剛剛研獲的鈮酸鋰納米結構製備最新技術，在僅有頭髮絲粗細的鈮酸鋰材料橫截面上加工出的。

這份給南開大學百年校慶的特殊獻禮，也表明南開大學團隊能夠「雕刻」出納米尺度的鈮酸鋰光學微納結構，攻克了鈮酸鋰微小尺度加工這一阻礙鈮酸鋰光子學集成晶片研發的世界難題。

鈮酸鋰校慶紀念徽（左）、納米結構（插圖）電子束顯微成像和光學成像照片

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，鈮酸鋰行業的發展頗為曲折，南開大學是當中最早也是為數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器件

孫軍教授就是南開大學鈮酸鋰晶體研究團隊中的一員。從1999年本科畢業進入905廠開始從事鈮酸鋰晶體研究，到去南開大學攻讀碩博學位繼續探索，再到今天，孫軍一直在鈮酸鋰晶體領域裡專注了二十餘年。

這是一條漫長的研究之路，當好不容易撥開黑夜的迷霧，看到黎明的曙光時，孫軍並沒有自喜，反而表現出很強的迫切感和焦慮感，「國內鈮酸鋰晶體材料和光電器件的發展仍沒有形成有效的產業鏈條，我們只是在個別應用領域取得了長足進步，如果我們不能解決全產業鏈發展的問題，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。鈮酸鋰晶體材料之於孫軍來說，亦是如此。

逆流而上，二十年不忘初心

1969年，寧夏培養的唯一一名中國工程院院士——何季麟，當時大學剛剛畢業，從繁華的首都輾轉來到905廠報到，下火車後傻了眼，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」在什麼地方。

「905」，即中色（寧夏）東方集團有限公司前身——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。後來，他順著廠裡自備鐵路的鐵軌，背著行李一步步走到了廠裡。

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，不少家庭條件優越、成績優秀的大學生被派到賀蘭山下的905廠，開始了艱難的創業路。他們不僅奉獻了自己的青春，還將家庭紮根在大西北。

905廠建設初期，由於自然條件惡劣，地方經濟發展嚴重落後，子女的教育和發展同樣受到很大影響，且由於當時科技發展水平的限制，不少職工和下一代受到了多種職業病的影響。「獻完青春獻終身，獻完終身獻子孫。」這些老一輩們在賀蘭山的荒原上用寶貴的年華創造出一個個奇蹟，為國家原子能、航空、航天、電子、冶金、化工等行業做出了突出貢獻。

905建廠早期和原鈮酸鋰晶體生產車間

（圖片來自：口述寧夏）

三十年後，孫軍來到905廠時，905已經轉型發展為綜合性新材料研發和生產單位，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，躋身世界鉭鈮行業三強之一，工作和生活方麵條件都得到極大的改善，但是與內地和沿海發達地區相比，仍存在較大差距。但老一輩不計個人得失、為國奉獻、勤奮進取的精神，卻深刻地影響著孫軍。

中南大學材料物理專業畢業的孫軍被分配到905廠新成立的晶體分廠。這是一段難忘的經歷，這裡沒有森嚴的等級制度，敬業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、廠院領導都主動去義務加班。

作為一個剛畢業的大學生，孫軍有工作上的問題，都可以直接跟分廠領導甚至廠院領導溝通。

孫軍回憶，當時集團的上市公司東方鉭業領導張宗國，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參與光電用鈮酸鋰晶體和器件的聯合科研工作。其後，孫軍在南開大學攻讀碩博期間，仍在繼續鈮酸鋰晶體相關的研究工作。

孫軍從事的工作，大部分都圍繞國防領域的需求開展，有些研究工作成果不便公開發表論文，也沒太多精力去撰寫論文，這在早期唯論文現象比較突出的大環境下，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，一方面是科研團隊的負責人——其導師許京軍教授的大力支持和鼓勵，另一方面就是因為在905廠的工作經歷。905廠老一輩科技人員的奉獻精神，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年下火車後的小站上，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品化這條鐵軌，一步一步地往前走，就這樣走了20餘年。

幾十年浮沉，走過漫長探索路

說到鈮酸鋰晶體在國內的發展，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、光折變及雷射活性等效應於一身的人工合成晶體。

自1937年發現鈮酸鋰後，科研人員主要研究集中在晶體結構、基本物性等方面，直到1965年前蘇聯和美國科學家用提拉法得到大尺寸單晶後，對鈮酸鋰性質的研究才更加深入，在壓電器件中逐步得到應用，隨著雷射技術的發展，鈮酸鋰晶體又作為重要的非線性光學晶體、電光晶體等被廣泛關注。特別是1980年，業界發現鈮酸鋰晶體摻鎂後可以極大地提高抗光折變性能後，更是在全世界範圍內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展。

摻釹鈮酸鋰雷射晶體

但就是這樣一個應用廣泛並與日常生活密切相關的晶體，在國內的發展極不平坦。在壓電器件應用的聲學級晶體方面，鈮酸鋰晶體也曾掀起研發和生產的熱潮。

上世紀八九十年代，由於彩色電視機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、徐州半導體等近二十家單位一度達到年產幾十噸的產能，主要供給國內器件廠家。但隨著國外聲表面波器件興起對國內器件廠家的衝擊，國內鈮酸鋰晶體曾經歷過的繁華，如同曇花一現，很快就萎縮了。

到了上世紀九十年代後，行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，帶來鈮酸鋰晶體發展的又一波高潮。孫軍遺憾地介紹，國產的聲表面波濾波器件並未能進入這個市場，而被EPCOS、Avago、村田、AVX等國外公司佔領。國內的聲學級晶體也隨之淪落為替補，僅僅滿足個別企業和軍工院所的低端需求或特殊需求，這個需求量與行動電話和通信基站的需求相比，不可同日而語。

在光電器件應用的光學級鈮酸鋰晶體方面，與聲表面波器件一樣，光通訊應用的電光調製器市場被國外廠商控制，且形成龐大的產業。國內只有武漢郵電科學研究院、北京世維通為數不多的幾家單位以及一些軍工單位在生產調製速率較低的產品或特殊軍用產品。

「這是個惡性循環。」孫軍說，由於缺乏市場需求的牽引拉動，導致國內的聲學級和光學級鈮酸鋰晶體的生產都沒有形成規模，產品化技術就更難實現突破，再加上高端應用晶片的加工設備和加工技術也受制於人，鈮酸鋰晶體在國內的產品化、產業化道路更是步履維艱。

之後，國內大多開展鈮酸鋰晶體研究的單位如中科院上海矽酸鹽所、中科院上海光機所、中科院物理所、中科院聲學所、山東大學、哈爾濱工業大學、長春理工大學等都停止或大幅削減了相關研究，905廠的晶體分廠等生產單位停止了鈮酸鋰晶體的生產。

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格出口限制，不僅僅是對光通訊、數字通信、雷射技術等產業的影響，同樣對國防科技發展的安全也會造成難以估量的影響。

幸運的是，在萬馬齊喑中，還有南開大學團隊等一批研究人員在堅持著。

南開大學是國內最早開展鈮酸鋰生長、性能及應用研究的單位之一，從上個世紀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於研究的高潮還是低谷，五十年來，在鈮酸鋰晶體的浮沉發展中，南開大學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，而是基於對鈮酸鋰晶體材料的充分認識和未來發展的科學判斷做出的選擇。」孫軍說。

持之以恆地堅持研究，也使得南開大學在鈮酸鋰的理論研究、應用基礎研究和技術開發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，沒有研究成果產業化後的巨大收益，甚至有可能連掌聲和鮮花都沒有。擺在眼前只是一復一日的枯燥而進展緩慢的科研工作。

「有些東西它可能在國內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。」孫軍說這句話時，腦中再次閃現出905廠老一輩科研人員的畫面。

衝過最艱難的關隘，跨越鈮酸鋰的高峰

時代終不辜負有心人。「沒有妄念」的南開大學50年的付出收穫了累累碩果。

上世紀80年代，南開大學聯合西南技術物理研究所開展的高摻鎂鈮酸鋰晶體原創性研究，將晶體的抗光損傷能力提高一個數量級以上，高摻鎂鈮酸鋰晶體也被國際上譽為中國之星「China Star」。

1986年南開大學摻雜鈮酸鋰晶體成果鑑定會

從90年代開始的十餘年裡，南開大學圍繞鈮酸鋰系列晶體的光折變性能開展大量研究，發現了許多新效應、新機制並且提出了新應用，研製了三維全息光存儲器樣機，首次發現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秀的光折變材料，孫軍的導師許京軍教授領銜的團隊也因此獲得了國家自然科學二等獎。

光學級鈮酸鋰晶體

孫軍在南開大學的二十年間，他們團隊主要以光通訊、雷射以及國防領域對高光學均勻性、高抗光損傷能力、高溫度適用性的光學級鈮酸鋰晶體的需求為牽引，將鈮酸鋰晶體的光學均勻性提高了近2個數量級，抗光損傷能力提高6個數量級以上，實現了實用化光學質量的更優性能近化學計量比鈮酸鋰晶體的廉價製備。

三英寸近化學計量比鈮酸鋰晶片

團隊研製的系列鈮酸鋰電光調Q晶體雷射損傷閾值、溫度穩定性和連續工作使役壽命大幅提高，不僅能夠滿足最嚴苛的溫度適用性軍用標準，在面向汽車自動駕駛應用的連續工作雷射雷達中，連續雷射輸出的工作時間從原有晶體的30分鐘以內提高到24小時×30天以上，達到了國際同類產品的先進水平。

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「雲生活」，這對光通訊行業產生了促進作用。在雲計算、虛擬實境、高清視頻等諸多因素的促進下，光通訊建設將拉開持續升級的大幕，鈮酸鋰晶體又迎來了新的發展機遇。

鈮酸鋰晶體在集成光子學晶片、量子信息等方面的應用，讓它重新得到國內外的高度重視。

據了解，業界普遍認為鈮酸鋰晶體有望成為電子時代走向光子時代時的「光學矽」材料。2017年，哈佛大學評述鈮酸鋰晶體器件研究進展時，就類比「矽谷」提出了要發展「鈮酸鋰谷」。

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

這也是南開大學團隊一直高度關注的方向，經過五年的工藝研發與技術攻關，許京軍教授和任夢昕副教授等科研人員於去年終於在鈮酸鋰微納尺度的加工方面取得突破性進展，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。

那張南開大學百年校慶紀念徽標照片，也標誌著人們已具備基於鈮酸鋰晶體實現納米尺度下精細操控光行為的能力，為鈮酸鋰晶體這一獨特的光電材料在微納光子學、集成光子學等領域的應用開啟了大門。

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構開始陸續加入對鈮酸鋰的研究。

孫軍表示，近年來國內一直在追蹤、跟進國際上鈮酸鋰的發展，晶體生長、加工的技術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展。

然而，前幾年的中興和近期的華為事件，還是讓他產生了強烈的危機感。

「在當前嚴峻的國際形勢下，我希望上下遊要『不畏浮雲遮望眼，風物長宜放眼量』，包括光通信、數字通信、雷射應用等單位，要與電光調製器、相位調製器、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和生產單位聯合起來，不僅要解決眼下核心器件受制於人的局面，更要著眼於未來集成光子學的發展，積極爭取政府支持，上下遊共同實現真正的自主可控、良性發展。」

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

「面壁十年圖破壁，難酬蹈海亦英雄」，這是南開大學優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科研人員從事鈮酸鋰晶體工作的寫照。

【人物介紹】

孫軍，南開大學教授、博士生導師，教育部新世紀優秀人才，主要從事人工晶體材料與器件方面研究工作，曾獲天津市科技進步一等獎、天津市技術發明二等獎、天津青年科技獎、天津市國防科技突出貢獻獎等。現任中國兵工學會雷射技術專委會、中國矽酸鹽學會晶體生長與材料分會、全國人工晶體標準化委員會、中國稀土學會稀土晶體專委會、中國光學學會光學材料專委會等委員，擔任《人工晶體學報》編委、《現代電子技術》編委等。