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1951年初夏，“戈登將軍”號海輪從美國舊金山碼頭出發(fā)，駛向中國。當(dāng)祖國大陸在眼前逐漸浮現(xiàn)，甲板上一個年輕人眼噙熱淚：“祖國，您的游子終于回來了！”

這位對祖國母親日思夜想的年輕人，便是日后成為中國半導(dǎo)體及紅外學(xué)科奠基者、引路人和中國科學(xué)院院士的湯定元。

往后很多年里，每每有人問他“為什么放棄那么好的科研條件回國”，湯定元的答案只有一個——為振興中華盡自己的綿薄之力。

1?寫給元帥的三封信

現(xiàn)代紅外科學(xué)技術(shù)研究起步于20世紀(jì)40年代的德國。二戰(zhàn)后，德國紅外技術(shù)研究中斷，相關(guān)成果成為美國和蘇聯(lián)的戰(zhàn)利品。由于紅外技術(shù)最初主要應(yīng)用于軍事，美國長期在保密條件下開展相關(guān)研究，直到1959年9月才首次公開發(fā)表部分研究進(jìn)展。

湯定元是新中國成立后第一批歸國的留學(xué)生之一?；貒?，他來到中國科學(xué)院工作，以半導(dǎo)體光學(xué)及光電性能為研究方向。

那時，國內(nèi)對于“紅外探測器”還處于認(rèn)知啟蒙階段，技術(shù)研究更是一片空白。就連湯定元本人也僅僅是“聽說它很重要，但不知道重要在哪里”。

但時刻關(guān)注國際前沿的湯定元知道，紅外技術(shù)是一項(xiàng)必須跟進(jìn)的新興技術(shù)。他帶領(lǐng)項(xiàng)目組在國內(nèi)最早開展硫化鉛紅外探測器研究，“開展硫化鉛等紅外探測器的研究”被列入了“十二年科技規(guī)劃”。

為響應(yīng)黨中央“向科學(xué)進(jìn)軍”的號召，湯定元提出，科學(xué)研究要基于國家實(shí)際，面向國家的現(xiàn)實(shí)需求；中國科學(xué)院不僅要做機(jī)制研究，也要承擔(dān)產(chǎn)品的試制甚至生產(chǎn)任務(wù)。

1958年，湯定元給時任國防科學(xué)技術(shù)委員會主任聶榮臻元帥寫了一封信，力陳紅外探測器對于國防及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要性。很快，紅外技術(shù)的研究任務(wù)被正式提出。

但不久后，由于經(jīng)濟(jì)困難，國內(nèi)很多研究被迫停滯。憂心忡忡的湯定元再次致信聶榮臻：“紅外技術(shù)研究是大有發(fā)展前途的，不能讓它中斷，但也不能搞‘一窩蜂’，要聚散為整，集中全國的科研力量進(jìn)行攻關(guān)?！?/p>

在他的倡議下，國家將紅外技術(shù)和應(yīng)用光學(xué)并列作為我國科研發(fā)展重點(diǎn)。中國科學(xué)院決定整合院內(nèi)紅外研究力量，并在1964年年初進(jìn)行了布局調(diào)整——將昆明物理研究所及中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱上海技物所）轉(zhuǎn)為紅外技術(shù)研究專業(yè)所，同時將中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所紅外方面的工作分別調(diào)整到這兩個所中。

肩負(fù)著“使上海技物所工作全面轉(zhuǎn)向紅外技術(shù)”的重任，湯定元同十余位同事共同前往上海技物所。

在早期的探索階段，美國送來了“禮物”。1965年，一架美國戰(zhàn)斗機(jī)在我國境內(nèi)被擊落，殘骸中有機(jī)載紅外探測器等部件。湯定元獲悉后，再次致信聶榮臻，懇請由上海技物所承擔(dān)該戰(zhàn)斗機(jī)同類型紅外雷達(dá)的研制任務(wù)，他的信心和決心再次得到支持。

從此，一部扎根于上海技物所的紅外傳奇徐徐展開。

湯定元（左二）在實(shí)驗(yàn)室與學(xué)生交流科研進(jìn)展。

2?沖向藍(lán)天

上海技物所紅外技術(shù)的生根發(fā)芽還離不開一個人——中國科學(xué)院院士匡定波。

在上海電子學(xué)研究所紅外技術(shù)研究室工作期間，匡定波和同事接到一項(xiàng)緊急任務(wù)——研制出一種微波雷達(dá)以外的夜間飛機(jī)探測技術(shù)。后來，匡定波轉(zhuǎn)入上海技物所工作，這項(xiàng)任務(wù)也隨之移交至上海技物所。

研制過程中，匡定波深刻認(rèn)識到探測器作為紅外裝置“心臟”的重要性，“要做紅外裝置，首先要有紅外探測器”。

沒有任何資料可借鑒，也沒有像樣的儀器設(shè)備，團(tuán)隊(duì)下了很大功夫，終于了解到上海自動化儀表廠和中國科學(xué)院上海冶金研究所（現(xiàn)中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）有人在研究，便專門派人去學(xué)習(xí)，再回來自己做。

有了探測器，自主研制紅外裝置就有了可能。慢慢地，團(tuán)隊(duì)做出來的探測器可以接收到2米外一根點(diǎn)燃的衛(wèi)生香的信號了，再往后，10米、70米……最終，我國首套用于殲擊機(jī)的紅外探測裝置在上海技物所誕生！

20世紀(jì)60年代，上海技物所還參與了另一項(xiàng)重大任務(wù)——研制搭載于“東方紅一號”人造衛(wèi)星的紅外敏感光學(xué)探頭。

“東方紅一號”人造衛(wèi)星發(fā)射升空后，紅外探頭傳來了清晰的信號。自此，我國自研航天用紅外器件的實(shí)力得到證實(shí)。

3?拔“碲”而起

在周恩來總理“要搞我們自己的氣象衛(wèi)星”的倡議下，1972年，氣象衛(wèi)星預(yù)研工作開始。上海技物所承擔(dān)了衛(wèi)星紅外掃描輻射計(jì)的研制任務(wù)，匡定波為主任設(shè)計(jì)師。這顆衛(wèi)星就是后來的“風(fēng)云一號”。

匡定波參加“風(fēng)云一號”氣象衛(wèi)星B星發(fā)射。

隨著衛(wèi)星參數(shù)逐步確定，匡定波等人關(guān)注到，美國預(yù)告發(fā)射的新氣象衛(wèi)星搭載的掃描輻射計(jì)信號全部從模擬制式改成數(shù)字制式，地面分辨率提高64倍，將完全取代我國在研方案對標(biāo)的高分辨率掃描輻射計(jì)。

“如果按原定指標(biāo)，在發(fā)射前完成研制是有把握的。但方案已經(jīng)在技術(shù)上落伍了，等衛(wèi)星上天以后，世界各國不會再接收這樣的云圖?！笨锒úㄖ赋?，“必須提升指標(biāo)，采用新一代技術(shù)方案?！?/p>

上海技物所的研究人員主動“自我加壓”，著手提升核心部件的性能指標(biāo)。其中，研究員龔惠興（1995年當(dāng)選為中國工程院院士）負(fù)責(zé)掃描輻射計(jì)整體研制工作，紅外探測器的任務(wù)交給了研究員方家熊（2001年當(dāng)選為中國工程院院士）。

多番研討后，團(tuán)隊(duì)決定選用與國際接軌的先進(jìn)方案，用碲鎘汞器件觀測地球。碲鎘汞被譽(yù)為紅外探測器的“天選”材料，其禁帶寬度隨組分變化，可以制備各種波段的紅外探測器。

盡管上海技物所是國內(nèi)最早開始研制碲鎘汞的單位，但當(dāng)時材料指標(biāo)離要求還有很大差距，其中最突出的是工作溫度問題。

實(shí)驗(yàn)室研制的碲鎘汞紅外探測器在液氮制冷——即零下196.15攝氏度下工作性能良好，但在太空中，輻射制冷器只能為探測器提供零下168.15攝氏度的環(huán)境，在該溫度下，探測器的性能急劇下降。

本著一股不服輸?shù)膭艃海郊倚軒ьI(lǐng)29人的小組迎難而上。為了以最高效率攻克難題，他給團(tuán)隊(duì)立下了規(guī)矩：“全力配合總體，出問題從自己身上反思原因。”

他們一一攻克材料提純、合成、檢測、應(yīng)用環(huán)境模擬等難關(guān)，并專門搭建了測量溫度變化的設(shè)備，詳細(xì)分析碲鎘汞器件在不同溫度下的性能，仔細(xì)研究參數(shù)和工藝。

當(dāng)溫度問題被基本解決后，團(tuán)隊(duì)又夜以繼日地攻克了探測器封裝難題。1988年9月7日，上海技物所建所30周年之際，“風(fēng)云一號”氣象衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空，不久后，紅外掃描輻射計(jì)順利獲取清晰圖像。

這意味著我國成為繼美國之后第二個同時掌握光導(dǎo)型碲鎘汞和輻射制冷技術(shù)的國家。同時期的歐洲早于我國起步，卻遲遲未能做成。

1988年“風(fēng)云一號”氣象衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)試驗(yàn)隊(duì)員凱旋。

4?自我施壓，瞄準(zhǔn)國際前沿

為何我國能在基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)被封鎖的情況下，一舉攻下碲鎘汞器件難題？這靠的是科學(xué)家自我施壓、自我超越的拼搏精神。

隨著紅外探測器應(yīng)用范圍的不斷拓展，為了集中力量保證航天工程等國家重大任務(wù)的順利完成，上海技物所將碲鎘汞的材料與器件研究工作統(tǒng)一歸并到第十研究室，由方家熊擔(dān)任室主任。

研究室先后解決了材料預(yù)處理、質(zhì)量控制和工藝規(guī)范等問題，建立了從碲鎘汞材料生長到紅外探測器元件制備的全鏈條流程。

“七五”期間，多元長波碲鎘汞探測器預(yù)研項(xiàng)目的目標(biāo)是做出一個超過10像元（探測器掃描采樣的最小單元）的線列器件。但方家熊瞄準(zhǔn)當(dāng)時國際先進(jìn)水平，決定把目標(biāo)定為60像元。

上海技物所研究員龔海梅回憶道：“當(dāng)時能做出十幾像元的紅外探測器已經(jīng)很不容易了，且有幾家單位同時在做，競爭十分激烈。”

但方家熊并不畏懼。他帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室同事克服經(jīng)費(fèi)不足、設(shè)備條件差等困難，成功研制出60像元器件。對此，原國防科工委發(fā)來賀信：“60像元碲鎘汞線列紅外探測器的研制成功，證明了我們中國的科技人員完全有能力打破國外的禁運(yùn)和封鎖，完全能夠依靠自己的智慧和創(chuàng)造力攻克這一難關(guān)……你們?yōu)閲拦I(yè)的研究單位做出了榜樣?！?/p>

60像元長波紅外探測器。

隨后，180像元的碲鎘汞器件研制任務(wù)也交給了上海技物所。

關(guān)關(guān)難過，關(guān)關(guān)過。從10像元到60像元，再到180像元，方家熊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在不到10年時間里出色完成了這些看似不可能完成的任務(wù)?；貞浧鹉嵌纬掷m(xù)攻關(guān)的日子，方家熊忍不住感慨道：“精神上的高壓讓我常常感到腿像灌了鉛似的，拖也拖不動?！?/p>

紅外探測器是遙感衛(wèi)星能夠“看得清”的關(guān)鍵。60像元和180像元器件，為后續(xù)應(yīng)用于“風(fēng)云二號”氣象衛(wèi)星、“神舟三號”飛船等的碲鎘汞紅外探測器組件奠定了基礎(chǔ)。

180像元長波紅外探測器。

“我們有一批愿意為國家服務(wù)的工程師和科學(xué)家。”上海技物所研究員李向陽表示，“研究所‘垂直整合’的架構(gòu)為科研人員提供了一個舞臺。同等條件下，我們可以通過付出盡可能少的時間和人力，做出滿足不同應(yīng)用需求的紅外探測器?！?/p>

隨著我國探測技術(shù)的發(fā)展和使用要求的提高，上海技物所“以任務(wù)帶學(xué)科”，持續(xù)提升碲鎘汞紅外探測器性能，同時拓展銦鎵砷、氮化鎵等探測器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用。

5?“摸著石頭過河”

紅外焦平面探測器主要由紅外像元芯片和讀出集成電路兩部分組成，兼具感應(yīng)紅外輻射信號和信息處理功能。

早在多元紅外探測器陣列研制的起步階段，湯定元便強(qiáng)調(diào)：“由于我國紅外技術(shù)起步比發(fā)達(dá)國家晚，應(yīng)先增加這方面的投入，加快‘紅外焦平面陣列’的研制速度?！?987年至1996年間，上海技物所組織專家共同論證了紅外焦平面成像等技術(shù)開發(fā)的重要性與緊迫性。

歷史在此刻重演。1994年，在半導(dǎo)體材料和器件領(lǐng)域頗有建樹的科學(xué)家何力毅然放棄國外的高薪工作，加入上海技物所，并在4年后成為新成立的材器中心的首任主任。

發(fā)展紅外焦平面探測器，必須先有大尺寸的碲鎘汞材料。何力認(rèn)為，分子束外延技術(shù)或許可以滿足條件。

“薄膜材料的外延生長得先有一個‘桌面’，再在上面生長材料，這個‘桌面’就是襯底。”上海技物所研究員周易解釋說，“以往都用碲鋅鎘，因?yàn)樗晚阪k汞的性質(zhì)比較接近，材料容易生長，但大尺寸碲鋅鎘材料極難制備?！?/p>

考慮到硅的晶圓可以做得很大，除了發(fā)展大尺寸碲鋅鎘襯底材料外，何力創(chuàng)新性地提出采用砷化鎵和硅基晶圓作為襯底的碲鎘汞材料制備技術(shù)。同前輩們一樣，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“摸著石頭過河”，從琢磨路線、采購設(shè)備做起，不斷摸索材料生長的最優(yōu)方案。

把紅外像元芯片和集成電路合二為一的工作，也在有條不紊地并行。上海技物所研究員丁瑞軍回憶，項(xiàng)目最初，他所在的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過兩年多辛苦努力，終于攻克了倒焊互連等技術(shù)難題，測試結(jié)果一切正常。當(dāng)他興致勃勃地將一塊芯片送去封裝，卻瞬間傻了眼——當(dāng)被放入模擬的真空、低溫環(huán)境中時，芯片碎了。

“我向龔惠興院士匯報(bào)了這件事。他提醒我，先調(diào)研低溫下材料的各種參數(shù)，再做仿真模擬，把問題都分析清楚后，最后做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！倍∪疖婑R上集合所有相關(guān)小組，經(jīng)過3個月的分析調(diào)研，終于找到了問題所在。

在各個攻關(guān)小組的共同努力下，2005年，由上海技物所團(tuán)隊(duì)研制的大面積碲鎘汞材料跟隨衛(wèi)星進(jìn)入太空。這也是我國紅外焦平面碲鎘汞探測器首次應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

材器中心研制團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。上海技物所供圖

2014年，伴隨著航天用紅外探測器需求井噴式爆發(fā)，原有的實(shí)驗(yàn)室工藝生產(chǎn)線已無法滿足大面積、超長陣列產(chǎn)品生長需要，上海技物所決定在上海嘉定建立一條紅外焦平面器件的工藝生產(chǎn)線。

上海技物所研究員林春、陳路和青年職工周昌鶴等人齊上陣、兩頭跑，兼顧日常研究工作的同時，集中搭建、調(diào)試生產(chǎn)線上的上百臺設(shè)備，跟蹤每一道工藝。正是在這條生產(chǎn)線上，誕生了迄今公開報(bào)道的國際上最長的紅外焦平面探測器。

“我很幸運(yùn)地參與并見證了這個領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。”林春感嘆道。

6?“扛紅外大旗”

1983年，以7位中國科學(xué)院院士為首的專家團(tuán)隊(duì)，對上海技物所進(jìn)行了為期6天的深入考察與評議。評議報(bào)告指出：“該所在國內(nèi)紅外技術(shù)發(fā)展中成績顯著，有一支具有一定水平的科研隊(duì)伍，能承擔(dān)國家有關(guān)的重大科研任務(wù)?！?/p>

近年來，上海技物所持續(xù)攻克大規(guī)模、高靈敏、高定量紅外探測器關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)成果成功應(yīng)用于民用氣象衛(wèi)星、探月探火、載人工程、高分專項(xiàng)、國家安全、科學(xué)衛(wèi)星等領(lǐng)域的遙感儀器，保障了航天紅外裝備核心部件的自主可控。

2023年，上海技物所牽頭組建的紅外探測全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式揭牌成立，以期進(jìn)一步匯聚全國紅外技術(shù)領(lǐng)域的頂尖力量，深入開展紅外領(lǐng)域高水平應(yīng)用和前沿研究，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)深入融合。

從早期艱難追趕外國，到如今多點(diǎn)開花，在這部跨越70年的紅外史詩中，國家需求是上海技物所不斷發(fā)展核心關(guān)鍵技術(shù)的最大動力。上海技物所響亮地提出了“扛紅外大旗”的努力方向，紅外探測器也逐漸成為上海技物所的“法寶”。

“未來，我們不僅要解決現(xiàn)有難題，還要主動挖掘新問題，并且沖在最前面。”龔海梅期待越來越多的年輕人加入進(jìn)來，“一起為國家作貢獻(xiàn)”。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-09-06?第4版?專題）