在中国科学院物理研究所，研究员陆凌所从事的“狄拉克涡旋”拓扑光腔研究，对普通人来说只是一组晦涩的学术概念。

但从原理到样品，由物理所光物理实验室L01组研制出的拓扑腔面发射激光芯片，却拥有改变人们生活的潜力。它将有可能运用在手机人脸识别、自动驾驶的激光雷达以及虚拟现实的三维感知等领域。

在这个80后青年科研工作者眼中，“能为之不断奋斗的好科研项目，是要么上‘书架子’，要么上‘货架子’，当然最好是两者都能上。”

图为陆凌。中科院物理所供图

今年3月，陆凌团队的科研成果向社会公开，他们将此前研究发现的“狄拉克涡旋”拓扑光腔，成功应用于面发射半导体激光器中，可以从原理上突破眼下半导体激光的技术瓶颈，同时多数量级地提高其出射功率和光束质量。

眼下日常生活中用到的半导体激光芯片，如互联网通信所采用的边发射激光器，或是手机人脸识别所采用的面发射激光器，均是约50年前由美国和日本科学家设计开发的。此类器件在性能和指标等方面都已经到达了自身瓶颈。而目前人脸识别、自动驾驶、三维感知等新兴产业的发展，对半导体激光器的性能要求不断提高，其出射功率低和光束质量差的问题亟须破解。

“半导体激光器的作用好比无人驾驶系统的‘眼睛’，如果激光雷达功率低，则意味着看不远，光束质量差则意味着看得模糊。”陆凌解释，拓扑腔面发射激光器可以解决智能产品“眼睛视力不良”的问题，大幅度提高激光雷达的探测效果。

可“视力矫正”并非一日之功，要做一个世界范围内开拓性的研究绝非易事。陆凌的博士论文课题便是光子晶体半导体激光器。从2010年博士后阶段起，他就开始从事当时还鲜为人知的拓扑光子学研究，现在这个领域的名称也是来自他2014年发表的拓扑光子学的同名综述文章。拓扑光子学的底层数学原理和全新现象，是目前光学和电磁学教科书中所没有的，这也意味着这一新方向拥有对现有光子学技术带来变革的可能性。

多个诺贝尔物理学奖从拓扑物理领域诞生，拓扑和物理的结合发现当外界条件大幅改变时，体系的物理性质却可以保持完全不变的神奇鲁棒特性。那么从理论上讲，拓扑的稳定原理应该可以显著提高各类器件的性能，但在具体的原型器件上却一直属于“无人区”。

“我目前所从事的工作是要研发一个由中国原创的、可大规模应用的拓扑半导体激光器件。” 2016年回国后，陆凌便带领团队展开了半导体激光芯片性能提升的原理研究；之后，他获得首批中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目支持。

在科研攻关的阶段，他的大脑常常“见缝插针”地思考，甚至在吃饭、走路的时间可以随时随地思考问题。有时候跟妻子说话，一愣神，不自觉地联想到了科研问题，外界声音被自动屏蔽，过了很久才能想起对话。每天晚上躺在床上，他的大脑会开始自动复盘，想一想今天遇到的困难有哪些，问题可能出现在什么环节。第二天早上一睁眼，他思考的第一件事是，今天要如何解决“昨天遇到的困难”。

拓扑腔面发射激光器研究的突破，来自陆凌撰写文章时的灵光一现。他突然意识到目前主流商用的半导体激光器设计和抽象的一维拓扑模型是可以打通的，其底层的数学结构其实是完全相同的。一个跨学科领域的联想帮助他找到了破解半导体激光器问题的办法，那就是把它从一维推广到二维拓扑设计。

“思路一下子豁然开朗，对未来的研究有了方向性的突破。”他第一时间去查看文献，验证自己的思考是否有漏洞，是否已被前人所提出，是否真的具备可行性。

2022年初，拓扑腔面发射激光器在中科院诞生，实现了远超同类商用产品的指标和性能，陆凌团队的研究成果于2022年3月18日发表在Nature Photonics杂志网站上。其中的拓扑腔，正是在两年前由陆凌团队提出的“狄拉克涡旋”拓扑光腔，是已知的大面积单模性最好的光腔设计，成果发表于2020年Nature Nanotechnology杂志，这里的大面积提高了激光功率，而单模性保证了光束质量。

近年来，不断有新学生慕名前来，但并不一定都愿意坚持。留在课题组里的学生可能要承担延期毕业、论文发表数量少的风险。陆凌希望未来祖国的科研环境里，会有更多愿意挑战一流工作的青年，“一个人如果能在年轻的时候投入一项真正有意义的研究，是莫大的机遇，在黎明到来之前，必须要有耐心。”

从想法到器件，陆凌团队在破解半导体激光器关键性问题上耗费的时间长达6年。但在陆凌看来，等待是值得的，“一个有志向的科学家，会去钻研一个极其有意义的科学问题。而这个科学问题一旦被解决，要么会留在下一代人的教科书里，供学习借鉴；要么是成为生活中可以使用的新技术，改变人们的生活；当然最理想的状态是两者都能做到。”

学习了党的二十大精神之后，作为一个致力于研发中国原创半导体器件的青年科技工作者，陆凌感慨，要“想国家之所想、急国家之所急、应国家之所需”，为实现高水平科技自立自强贡献自己的力量。

未来，他对自己的科研成果能“走上货架”充满了信心：如果拓扑腔面发射激光器从样品慢慢走向大规模商用量产，那么数十年后，每一部手机、每一辆汽车、每一个机器人都将有可能会用到这种新型的光源。那时，我国发明的半导体器件将大规模走进千家万户。

来源：https://s.cyol.com/articles/2022-10/29/content_1QEXKxTW.html