文 ｜ 《中國科學報》 見習記者 江慶齡 記者 徐可瑩

1951年初夏，“戈登將軍”號海輪從美國舊金山碼頭出發，駛向中國。當祖國大陸在眼前逐漸浮現，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體及紅外學科奠基者、引路人和中國科學院院士的湯定元。

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。

寫給元帥的三封信

現代紅外科學技術研究起步于20世紀40年代的德國。二戰后，德國紅外技術研究中斷，相關成果成為美國和蘇聯的戰利品。由于紅外技術最初主要應用于軍事，美國長期在保密條件下開展相關研究，直到1959年9月才首次公開發表部分研究進展。

湯定元是新中國成立后第一批歸國的留學生之一。回國后，他來到中國科學院工作，以半導體光學及光電性能為研究方向。

那時，國內對于“紅外探測器”還處于認知啟蒙階段，技術研究更是一片空白。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”。

但時刻關注國際前沿的湯定元知道，紅外技術是一項必須跟進的新興技術。他帶領項目組在國內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“十二年科技規劃”。

為響應黨中央“向科學進軍”的號召，湯定元提出，科學研究要基于國家實際，面向國家的現實需求；中國科學院不僅要做機制研究，也要承擔產品的試制甚至生產任務。

1958年，湯定元給時任國防科學技術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濟建設的重要性。很快，紅外技術的研究任務被正式提出。

但不久后，由于經濟困難，國內很多研究被迫停滯。憂心忡忡的湯定元再次致信聶榮臻：“紅外技術研究是大有發展前途的，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行攻關。”

在他的倡議下，國家將紅外技術和應用光學并列作為我國科研發展重點。中國科學院決定整合院內紅外研究力量，并在1964年年初進行了布局調整——將昆明物理研究所及中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）轉為紅外技術研究專業所，同時將中國科學院物理研究所和中國科學院半導體研究所紅外方面的工作分別調整到這兩個所中。

肩負著“使上海技物所工作全面轉向紅外技術”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，一架美國戰斗機在我國境內被擊落，殘骸中有機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該戰斗機同類型紅外雷達的研制任務，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）在實驗室與學生交流科研進展。

沖向藍天

上海技物所紅外技術的生根發芽還離不開一個人——中國科學院院士匡定波。

在上海電子學研究所紅外技術研究室工作期間，匡定波和同事接到一項緊急任務——研制出一種微波雷達以外的夜間飛機探測技術。后來，匡定波轉入上海技物所工作，這項任務也隨之移交至上海技物所。

研制過程中，匡定波深刻認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備，團隊下了很大功夫，終于了解到上海自動化儀表廠和中國科學院上海冶金研究所（現中國科學院上海微系統與信息技術研究所）有人在研究，便專門派人去學習，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，團隊做出來的探測器可以接收到2米外一根點燃的衛生香的信號了，再往后，10米、70米……最終，我國首套用于殲擊機的紅外探測裝置在上海技物所誕生！

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

“東方紅一號”人造衛星發射升空后，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力得到證實。

拔“碲”而起

在周恩來總理“要搞我們自己的氣象衛星”的倡議下，1972年，氣象衛星預研工作開始。上海技物所承擔了衛星紅外掃描輻射計的研制任務，匡定波為主任設計師。這顆衛星就是后來的“風云一號”。

匡定波參加“風云一號”氣象衛星B星發射。

隨著衛星參數逐步確定，匡定波等人關注到，美國預告發射的新氣象衛星搭載的掃描輻射計信號全部從模擬制式改成數字制式，地面分辨率提高64倍，將完全取代我國在研方案對標的高分辨率掃描輻射計。

“如果按原定指標，在發射前完成研制是有把握的。但方案已經在技術上落伍了，等衛星上天以后，世界各國不會再接收這樣的云圖。”匡定波指出，“必須提升指標，采用新一代技術方案。”

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。其中，研究員龔惠興（1995年當選為中國工程院院士）負責掃描輻射計整體研制工作，紅外探測器的任務交給了研究員方家熊（2001年當選為中國工程院院士）。

多番研討后，團隊決定選用與國際接軌的先進方案，用碲鎘汞器件觀測地球。碲鎘汞被譽為紅外探測器的“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最早開始研制碲鎘汞的單位，但當時材料指標離要求還有很大差距，其中最突出的是工作溫度問題。

實驗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攝氏度的環境，在該溫度下，探測器的性能急劇下降。

本著一股不服輸的勁兒，方家熊帶領29人的小組迎難而上。為了以最高效率攻克難題，他給團隊立下了規矩：“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、應用環境模擬等難關，并專門搭建了測量溫度變化的設備，詳細分析碲鎘汞器件在不同溫度下的性能，仔細研究參數和工藝。

當溫度問題被基本解決后，團隊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，“風云一號”氣象衛星在太原衛星發射中心成功升空，不久后，紅外掃描輻射計順利獲取清晰圖像。

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

1988年“風云一號”氣象衛星發射任務試驗隊員凱旋。

自我施壓，瞄準國際前沿

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

隨著紅外探測器應用范圍的不斷拓展，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一歸并到第十研究室，由方家熊擔任室主任。

研究室先后解決了材料預處理、質量控制和工藝規范等問題，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研項目的目標是做出一個超過10像元（探測器掃描采樣的最小單元）的線列器件。但方家熊瞄準當時國際先進水平，決定把目標定為60像元。

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

但方家熊并不畏懼。他帶領實驗室同事克服經費不足、設備條件差等困難，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和封鎖，完全能夠依靠自己的智慧和創造力攻克這一難關……你們為國防工業的研究單位做出了榜樣。”

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也交給了上海技物所。

關關難過，關關過。從10像元到60像元，再到180像元，方家熊帶領團隊在不到10年時間里出色完成了這些看似不可能完成的任務。回憶起那段持續攻關的日子，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。”

紅外探測器是遙感衛星能夠“看得清”的關鍵。60像元和180像元器件，為后續應用于“風云二號”氣象衛星、“神舟三號”飛船等的碲鎘汞紅外探測器組件奠定了基礎。

180像元長波紅外探測器。

“我們有一批愿意為國家服務的工程師和科學家。”上海技物所研究員李向陽表示，“研究所‘垂直整合’的架構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，做出滿足不同應用需求的紅外探測器。”

隨著我國探測技術的發展和使用要求的提高，上海技物所“以任務帶學科”，持續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研究和應用。

“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，湯定元便強調：“由于我國紅外技術起步比發達國家晚，應先增加這方面的投入，加快‘紅外焦平面陣列’的研制速度。”1987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開發的重要性與緊迫性。

歷史在此刻重演。1994年，在半導體材料和器件領域頗有建樹的科學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。何力認為，分子束外延技術或許可以滿足條件。

“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，因為它和碲鎘汞的性質比較接近，材料容易生長，但大尺寸碲鋅鎘材料極難制備。”

考慮到硅的晶圓可以做得很大，除了發展大尺寸碲鋅鎘襯底材料外，何力創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。同前輩們一樣，他帶領團隊“摸著石頭過河”，從琢磨路線、采購設備做起，不斷摸索材料生長的最優方案。

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，項目最初，他所在的團隊經過兩年多辛苦努力，終于攻克了倒焊互連等技術難題，測試結果一切正常。當他興致勃勃地將一塊芯片送去封裝，卻瞬間傻了眼——當被放入模擬的真空、低溫環境中時，芯片碎了。

“我向龔惠興院士匯報了這件事。他提醒我，先調研低溫下材料的各種參數，再做仿真模擬，把問題都分析清楚后，最后做實驗驗證。”丁瑞軍馬上集合所有相關小組，經過3個月的分析調研，終于找到了問題所在。

在各個攻關小組的共同努力下，2005年，由上海技物所團隊研制的大面積碲鎘汞材料跟隨衛星進入太空。這也是我國紅外焦平面碲鎘汞探測器首次應用于航天領域。

材器中心研制團隊在實驗室進行檢測。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，原有的實驗室工藝生產線已無法滿足大面積、超長陣列產品生長需要，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、調試生產線上的上百臺設備，跟蹤每一道工藝。正是在這條生產線上，誕生了迄今公開報道的國際上最長的紅外焦平面探測器。

“我很幸運地參與并見證了這個領域的蓬勃發展。”林春感嘆道。

“扛紅外大旗”

1983年，以7位中國科學院院士為首的專家團隊，對上海技物所進行了為期6天的深入考察與評議。評議報告指出：“該所在國內紅外技術發展中成績顯著，有一支具有一定水平的科研隊伍，能承擔國家有關的重大科研任務。”

近年來，上海技物所持續攻克大規模、高靈敏、高定量紅外探測器關鍵技術，相關成果成功應用于民用氣象衛星、探月探火、載人工程、高分專項、國家安全、科學衛星等領域的遙感儀器，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實驗室正式揭牌成立，以期進一步匯聚全國紅外技術領域的頂尖力量，深入開展紅外領域高水平應用和前沿研究，推進相關技術深入融合。

從早期艱難追趕外國，到如今多點開花，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展核心關鍵技術的最大動力。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來，“一起為國家作貢獻”。

《中國科學報》 (2024-09-06 第4版 專題)