南开大学孙军教授：逆流而上，为光电材料尽一份力

2019年4月8日，在最新一期的光学领域国际权威期刊《激光与光子学评论》上，一张彩色的南开大学百年校庆纪念徽标照片十分特别。

这是南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室利用刚刚研获的铌酸锂纳米结构制备最新技术，在仅有头发丝粗细的铌酸锂材料横截面上加工出的。

这份给南开大学百年校庆的特殊献礼，也表明南开大学团队能够“雕刻”出纳米尺度的铌酸锂光学微纳结构，攻克了铌酸锂微小尺度加工这一阻碍铌酸锂光子学集成芯片研发的世界难题。

铌酸锂校庆纪念徽（左）、纳米结构（插图）电子束显微成像和光学成像照片

铌酸锂因其丰富的光电性能而闻名，已成为最广泛使用的光电材料之一。但在中国，因为各种原因，铌酸锂行业的发展颇为曲折，南开大学是当中最早也是为数不多的且长期坚持下来的研究单位。

铌酸锂晶体加工的晶片和光学器件

孙军教授就是南开大学铌酸锂晶体研究团队中的一员。从1999年本科毕业进入905厂开始从事铌酸锂晶体研究，到去南开大学攻读硕博学位继续探索，再到今天，孙军一直在铌酸锂晶体领域里专注了二十余年。

这是一条漫长的研究之路，当好不容易拨开黑夜的迷雾，看到黎明的曙光时，孙军并没有自喜，反而表现出很强的迫切感和焦虑感，“国内铌酸锂晶体材料和光电器件的发展仍没有形成有效的产业链条，我们只是在个别应用领域取得了长足进步，如果我们不能解决全产业链发展的问题，我们的材料和器件被卡脖子的局面将难以打破。”

登山始觉天高广，到海方知浪渺茫。铌酸锂晶体材料之于孙军来说，亦是如此。

逆流而上，二十年不忘初心

1969年，宁夏培养的唯一一名中国工程院院士——何季麟，当时大学刚刚毕业，从繁华的首都辗转来到905厂报到，下火车后傻了眼，连站台都没看到，也没人知道他要去的那家军工三线单位——神秘的“905”在什么地方。

“905”，即中色（宁夏）东方集团有限公司前身——宁夏有色金属冶炼厂、西北稀有金属材料研究院的军工单位代号。后来，他顺着厂里自备铁路的铁轨，背着行李一步步走到了厂里。

住在半截房子在地下的地窝子，面朝戈壁，条件虽然艰苦，但是作为国家重要的军工单位，不少家庭条件优越、成绩优秀的大学生被派到贺兰山下的905厂，开始了艰难的创业路。他们不仅奉献了自己的青春，还将家庭扎根在大西北。

905厂建设初期，由于自然条件恶劣，地方经济发展严重落后，子女的教育和发展同样受到很大影响，且由于当时科技发展水平的限制，不少职工和下一代受到了多种职业病的影响。“献完青春献终身，献完终身献子孙。”这些老一辈们在贺兰山的荒原上用宝贵的年华创造出一个个奇迹，为国家原子能、航空、航天、电子、冶金、化工等行业做出了突出贡献。

905建厂早期和原铌酸锂晶体生产车间

（图片来自：口述宁夏）

三十年后，孙军来到905厂时，905已经转型发展为综合性新材料研发和生产单位，下属有上市公司、有西北稀有金属材料研究院、国家工程中心，跻身世界钽铌行业三强之一，工作和生活方面条件都得到极大的改善，但是与内地和沿海发达地区相比，仍存在较大差距。但老一辈不计个人得失、为国奉献、勤奋进取的精神，却深刻地影响着孙军。

中南大学材料物理专业毕业的孙军被分配到905厂新成立的晶体分厂。这是一段难忘的经历，这里没有森严的等级制度，敬业精神根植到每个人的心中，周末只要没特殊情况，老一辈的科技人员、厂院领导都主动去义务加班。

作为一个刚毕业的大学生，孙军有工作上的问题，都可以直接跟分厂领导甚至厂院领导沟通。

孙军回忆，当时集团的上市公司东方钽业领导张宗国，多次在下班的路上向他了解工作情况，从厂院出来推着自行车边走边聊，到单身宿舍楼前时还意犹未尽，时常要在门口站着聊上许久。

905厂委派孙军到南开大学参与光电用铌酸锂晶体和器件的联合科研工作。其后，孙军在南开大学攻读硕博期间，仍在继续铌酸锂晶体相关的研究工作。

孙军从事的工作，大部分都围绕国防领域的需求开展，有些研究工作成果不便公开发表论文，也没太多精力去撰写论文，这在早期唯论文现象比较突出的大环境下，对孙军个人的考核和评价影响较大。

孙军感慨地说，能够坚持下去，一方面是科研团队的负责人——其导师许京军教授的大力支持和鼓励，另一方面就是因为在905厂的工作经历。905厂老一辈科技人员的奉献精神，已成为孙军的力量源泉，鼓舞着他在铌酸锂晶体和器件产品化、实用化这条漫长而寂寞的道路上坚持下去。

孙军仿佛站在何季麟院士当年下火车后的小站上，在“国家急需、世界一流”的牵引下，他逆流而上，沿着铌酸锂晶体和器件产品化这条铁轨，一步一步地往前走，就这样走了20余年。

几十年浮沉，走过漫长探索路

说到铌酸锂晶体在国内的发展，孙军用“让人欢喜让人忧”来评价。

铌酸锂晶体是集电光、声光、压电、光弹、非线性、光折变及激光活性等效应于一身的人工合成晶体。

自1937年发现铌酸锂后，科研人员主要研究集中在晶体结构、基本物性等方面，直到1965年前苏联和美国科学家用提拉法得到大尺寸单晶后，对铌酸锂性质的研究才更加深入，在压电器件中逐步得到应用，随着激光技术的发展，铌酸锂晶体又作为重要的非线性光学晶体、电光晶体等被广泛关注。特别是1980年，业界发现铌酸锂晶体掺镁后可以极大地提高抗光折变性能后，更是在全世界范围内掀起了一股研究铌酸锂晶体的热潮，铌酸锂晶体掺杂工程开始迅速发展。

掺钕铌酸锂激光晶体

但就是这样一个应用广泛并与日常生活密切相关的晶体，在国内的发展极不平坦。在压电器件应用的声学级晶体方面，铌酸锂晶体也曾掀起研发和生产的热潮。

上世纪八九十年代，由于彩色电视机所需声表面波滤波器的拉动，905厂、德清华莹、上海东城、丹江口宏电、中电26所、徐州半导体等近二十家单位一度达到年产几十吨的产能，主要供给国内器件厂家。但随着国外声表面波器件兴起对国内器件厂家的冲击，国内铌酸锂晶体曾经历过的繁华，如同昙花一现，很快就萎缩了。

到了上世纪九十年代后，移动电话和移动基站等对声表面波滤波器件的需求快速上升，带来铌酸锂晶体发展的又一波高潮。孙军遗憾地介绍，国产的声表面波滤波器件并未能进入这个市场，而被EPCOS、Avago、村田、AVX等国外公司占领。国内的声学级晶体也随之沦落为替补，仅仅满足个别企业和军工院所的低端需求或特殊需求，这个需求量与移动电话和通信基站的需求相比，不可同日而语。

在光电器件应用的光学级铌酸锂晶体方面，与声表面波器件一样，光通讯应用的电光调制器市场被国外厂商控制，且形成庞大的产业。国内只有武汉邮电科学研究院、北京世维通为数不多的几家单位以及一些军工单位在生产调制速率较低的产品或特殊军用产品。

“这是个恶性循环。”孙军说，由于缺乏市场需求的牵引拉动，导致国内的声学级和光学级铌酸锂晶体的生产都没有形成规模，产品化技术就更难实现突破，再加上高端应用晶片的加工设备和加工技术也受制于人，铌酸锂晶体在国内的产品化、产业化道路更是步履维艰。

之后，国内大多开展铌酸锂晶体研究的单位如中科院上海硅酸盐所、中科院上海光机所、中科院物理所、中科院声学所、山东大学、哈尔滨工业大学、长春理工大学等都停止或大幅削减了相关研究，905厂的晶体分厂等生产单位停止了铌酸锂晶体的生产。

如果铌酸锂晶体的研究被彻底放弃，国外一旦对我国实施严格出口限制，不仅仅是对光通讯、数字通信、激光技术等产业的影响，同样对国防科技发展的安全也会造成难以估量的影响。

幸运的是，在万马齐喑中，还有南开大学团队等一批研究人员在坚持着。

南开大学是国内最早开展铌酸锂生长、性能及应用研究的单位之一，从上个世纪70年代开始从事铌酸锂晶体的生长和性能研究。

无论铌酸锂晶体是处于研究的高潮还是低谷，五十年来，在铌酸锂晶体的浮沉发展中，南开大学始终没有放弃铌酸锂晶体的研究工作，“我们不是为了盲目坚持而坚持，也没有盲目去追逐热点，而是基于对铌酸锂晶体材料的充分认识和未来发展的科学判断做出的选择。”孙军说。

持之以恒地坚持研究，也使得南开大学在铌酸锂的理论研究、应用基础研究和技术开发方面有了很好的衔接，形成了一条龙的研究局面。

在这条漫长的探索路上，没有研究成果产业化后的巨大收益，甚至有可能连掌声和鲜花都没有。摆在眼前只是一复一日的枯燥而进展缓慢的科研工作。

“有些东西它可能在国内没有非常大的市场需求，但它又对国计民生、国防等方面非常重要，这些事情总归要有人去做。”孙军说这句话时，脑中再次闪现出905厂老一辈科研人员的画面。

冲过最艰难的关隘，跨越铌酸锂的高峰

时代终不辜负有心人。“没有妄念”的南开大学50年的付出收获了累累硕果。

上世纪80年代，南开大学联合西南技术物理研究所开展的高掺镁铌酸锂晶体原创性研究，将晶体的抗光损伤能力提高一个数量级以上，高掺镁铌酸锂晶体也被国际上誉为中国之星“China Star”。

1986年南开大学掺杂铌酸锂晶体成果鉴定会

从90年代开始的十余年里，南开大学围绕铌酸锂系列晶体的光折变性能开展大量研究，发现了许多新效应、新机制并且提出了新应用，研制了三维全息光存储器样机，首次发现了可见光波段高抗光折变掺镁铌酸锂晶体，又恰恰是紫外波段优秀的光折变材料，孙军的导师许京军教授领衔的团队也因此获得了国家自然科学二等奖。

光学级铌酸锂晶体

孙军在南开大学的二十年间，他们团队主要以光通讯、激光以及国防领域对高光学均匀性、高抗光损伤能力、高温度适用性的光学级铌酸锂晶体的需求为牵引，将铌酸锂晶体的光学均匀性提高了近2个数量级，抗光损伤能力提高6个数量级以上，实现了实用化光学质量的更优性能近化学计量比铌酸锂晶体的廉价制备。

三英寸近化学计量比铌酸锂晶片

团队研制的系列铌酸锂电光调Q晶体激光损伤阈值、温度稳定性和连续工作使役寿命大幅提高，不仅能够满足最严苛的温度适用性军用标准，在面向汽车自动驾驶应用的连续工作激光雷达中，连续激光输出的工作时间从原有晶体的30分钟以内提高到24小时×30天以上，达到了国际同类产品的先进水平。

随着“新基建”的提出，5G的逐渐普及，再加上突如其来的疫情，人们开始了“云生活”，这对光通讯行业产生了促进作用。在云计算、虚拟现实、高清视频等诸多因素的促进下，光通讯建设将拉开持续升级的大幕，铌酸锂晶体又迎来了新的发展机遇。

铌酸锂晶体在集成光子学芯片、量子信息等方面的应用，让它重新得到国内外的高度重视。

据了解，业界普遍认为铌酸锂晶体有望成为电子时代走向光子时代时的“光学硅”材料。2017年，哈佛大学评述铌酸锂晶体器件研究进展时，就类比“硅谷”提出了要发展“铌酸锂谷”。

然而，如何实现铌酸锂器件的微纳化、集成化，是各国科学家竞相研究的世界性难题。

这也是南开大学团队一直高度关注的方向，经过五年的工艺研发与技术攻关，许京军教授和任梦昕副教授等科研人员于去年终于在铌酸锂微纳尺度的加工方面取得突破性进展，在仅百纳米厚度的铌酸锂薄膜表面加工出了有序周期排列的纳米线阵列。

那张南开大学百年校庆纪念徽标照片，也标志着人们已具备基于铌酸锂晶体实现纳米尺度下精细操控光行为的能力，为铌酸锂晶体这一独特的光电材料在微纳光子学、集成光子学等领域的应用开启了大门。

这些成绩，固然让孙军他们感到喜悦，但更让他们感到欣喜的是，有更多的人和研究机构开始陆续加入对铌酸锂的研究。

孙军表示，近年来国内一直在追踪、跟进国际上铌酸锂的发展，晶体生长、加工的技术能力与国外比虽然存在一定的差距，但在研究方面基本上保持了与国际同步发展。

然而，前几年的中兴和近期的华为事件，还是让他产生了强烈的危机感。

“在当前严峻的国际形势下，我希望上下游要‘不畏浮云遮望眼，风物长宜放眼量’，包括光通信、数字通信、激光应用等单位，要与电光调制器、相位调制器、声表面波滤波器、电光器件等单位以及铌酸锂晶体材料研发和生产单位联合起来，不仅要解决眼下核心器件受制于人的局面，更要着眼于未来集成光子学的发展，积极争取政府支持，上下游共同实现真正的自主可控、良性发展。”

孙军的话透露出迫切但又是那么真挚的感情，想在自己的位置上为铌酸锂晶体和器件行业的发展出一份力。

“面壁十年图破壁，难酬蹈海亦英雄”，这是南开大学优秀校友周恩来总理所作七言绝句中的两句诗，这也正是孙军作为一名南开大学科研人员从事铌酸锂晶体工作的写照。