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我国激光技术的发展现状及未来规划
发布时间:2013-01-05 浏览次数:6671

   “激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词,在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。1964年,钱学森院士提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。
  从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今,在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下,我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域,并在产业化上取得可喜进步,为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献,在国际上了也争得了一席之地。

  一、我国早期激光技术的发展
  1957年,王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院(长春)光学精密仪器机械研究所(简称“光机所”)。在老一辈专家带领下,一批青年科技工作者迅速成长,邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发 表不久,他便积极倡导开展这项新技术研究,在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍,提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏,在王之江主持下,我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内,激光技术迅速发展,产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术(如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等)纷纷提出并获得实施,其中不少具有独创性。
  同时,作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源,激光很快应用于各技术领域,显示出强大的生命力和竞争力。通信方面,1964年9月用激光演示传送电视图像,1964年11月实现3~30公里的通话。工业方面,1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产,获得显著经济效益。医学方面,1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面,1965年12月研制成功激光漫反射测距机(精度为10米/10公里),1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。
  我国各类激光器的“第一台”
     名     称                 研制成功时间                 研  制 人
     He-Ne激光器                 1963年7月                  邓锡铭等
     掺钕玻璃激光器              1963年6月                  干福熹等
     GaAs同质结半导体激光器      1963年12月                 王守武等
     脉冲Ar+激光器               1964年10月                 万重怡等
     CO2分子激光器               1965年9月                  王润文等
     CH3I化学激光器              1966年3月                  邓锡铭等
     YAG激光器                   1966年7月                  屈乾华等
  可以说,在起步阶段我国的激光技术发展迅速,无论是数量还是质量,都和当时国际水平接近,一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列,在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得,尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件,主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发,没有足够的技术支撑是很难形成气候的。

    二、重点项目带动激光技术的发展
  激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想,很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示:研究所要建在上海,上海有较好的工业基础,有利于发展这一新技术。1964年,我国第一所,也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所(简称“上海光机所”)成立。当年12月在上海召开全国激光会议,张劲夫、严济慈出席并主持会议,140位代表提交了103篇学术报告。
  1964年启动的“6403”高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究,以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目,由于技术上的综合性和高难度,有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业,虽然也遭遇了“文革”十年浩劫,但借助于重点项目的支撑,仍艰难地生存了下来并取得可贵的进布。
  1.“6403”高能钕玻璃激光系统
  1964年启动,最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍,于1976年下马。这一项目对发展高能激光技术有历史贡献是不可忽视的,它使我国激光技术的水平上了一个台阶。其成果主要表现在:(1)建成了具有工程规模的大口径(120毫米)振荡—放大型激光系统,最大输出能量达32万焦耳;改善光束质量后达 3万焦耳。(2)实现了系统技术集成,成功地进行了打靶实验,室内10米处击穿80毫米铝靶,室外2公里距离击穿0.2毫米铝耙,并系统地研究了强激光辐射的生物效应和材料破坏机理。(3)第一次揭示了强光对激光系统本身的光损伤现象和机制。(4)第一次深入和理解激光光束质量的重要性和物理内涵,采用了一系列提高光束质量的创新性技术,如万焦耳级非稳腔激光器、片状激光器、振荡—扫瞄放大式激光系统、尖劈法光束质量诊断等。(5)激光元器件和支撑技术有了突破性提高,如低吸收高均匀性钕玻璃熔炼工艺、高能脉冲氙气、高强度介质膜、大口径(1.2米)光学精密加工等。(6)培养和造就 了一批技术骨干队伍。

  2. 高功率激光系统和核聚变研究
  1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议,1965年立项开始研究。经几年努力,建成了输出功率10(上标10)瓦的纳秒级激光装置,并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器,把激光输出功率提高了10倍,中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后,积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统,对充气玻壳靶照射,获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破,使我国的激光聚变研究进入世界先进行列,也为以后长期的持续发展奠定了基础。

   3. 军用激光
  1966年12月,国防科委主持召开了军用激光规划会,48个单位130余人参加,会议制定了包括含15种激光整机、9种支撑配套技术的发展规划。虽未正式批准生效,但仍起了有益的推动作用。此后的几年内,这一领域涌现了一批重要成果。例如:(1)靶场激光距技术初试成功:采用重复频率为20赫兹的YAG 调Q激光器,测距精度优于2米,最远测量距离达660公里,加在经纬仪上,可实现对飞行目标的单站定轨。这一成果为以后完成洲际导弹再入段轨迹测量创造了必要条件。(2)红宝石激光人造卫星测距:成功地对美国实验卫星Expl-27号、29号和36号进行了测量、最远可测距离为2300公里,精度2米左右。这是第一代人造卫星的测距成果,为以后更远距离、更高精度的人造卫星测距打下了基础。(3)红宝石激光雷达和机载红外激光雷达,首次实现了地—空和空—空对飞机的跟踪测距。(4)激光航测仪:将激光测距机和航空照相机组合,由飞机机载对地航测,完成对边远地区等复要地形的测绘。重复率6次/分,测距精度1米。(5)地炮激光测距机:可独立完成观察、测距、测角(方向和高低角)及磁针定向等功能。测距范围300-10000米,精度5米。
  在激光应用方面,Nd:YAG激光通信(3-12路)、He-Ne激光通信、单路/三路半导体激光通信在通信试验中已获得成功;Nd:YAG激光手术刀、 CO2激光手术刀、激光虹膜切除仪等医疗设备也已投入使用;激光全息摄影、激光全息在平面光弹中的应用,脉冲激光动态全息照相和拉曼分光光度计已成为计量科学的新手段;数控激光切割机、激光准直仪、激光分离同位素硫、用于农业研究的液体激光器、大屏幕导航显示器等成果也在工农业中获得了应用。
  1978年3月召开的全国科学大会上,获得奖励的激光项目有近80项,其中民品约70项,军品约10项,综合地反映了我国激光技术发展在这一时期的成绩。

  三、改革开放后取得前所未有的进步
  改革开放以来,激光技术获得了空前发展的机遇。20多年来,面向应用,面向世界,面向未来,激光科技事业取得了前所未有的进步,涌现出一批国际先进水平的成果,为迈向21世纪 打下了坚实的基础。
  1980年5月,分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议,与会代表218人(国外66人),宣读113篇报告(国外65篇),邓小平同志亲切接见了与会中外代表。1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议,改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面,开始走向世界。一大批年轻科技人才出国进修,其中相当一部分优秀人才学成归国。
   为了形成高水平的研究开发中心,对科研队伍和布局进行了积极调整,先后成立了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织。由于拥有国际先进的仪器设备和设施,聚集了高水平的科技人才,又有较为灵活的运行机制,目前正在为激光科技成果转化、创造自主知识产权和促进激光技术产业化发挥重要作用。
  在多项国家级战略性科技计划中,激光技术受到重视。“863”计划七大领域中有激光技术和光电子技术(包括用于信息领域的激光技术),1995年又增列了 “惯性约束聚变”主题。国防预研光电子技术作为跨部门项目正式立项,其中也包括激光技术。国家“六五”和“七五”攻关计划,激光技术被列为重大项目。此外,国家自然科学基金1986-1998年间年平均资助27.6个激光领域项目。这些由国家支持的计划都经过了充分论证和严格挑选,对国民经济和国防建设具有重要意义。许多激光科研单位也主动进行组织体制和运行机制的改革,面向市场、鼓励创新、大力促进科技成果向商品转化,取得了可喜成绩。
  激光器研究向纵深发展,不断追求高光束质量、高稳定性、长寿命、短脉冲、波长可调谐等目标。这一时期,激光技术成果丰硕,许多具有重大应用价值和达到国际先进水平。其中的代表性成果有:
  1. 测距和测卫
  新一代实用测距系统投入使用,完成了预定的重要任务。其中,718和G-179激光电影经纬仪投入使用并圆满完成任务;第一台全激光跟踪测距雷达外场试验成功;第一台实用化红外激 光雷达(G-168)设计定型,交用户使用;战术军用激光测距仪(炮兵、坦克、手持)批量生产。
  建成第三代人造卫星激光测距系统反入使用并达到国际水平。第一代红宝石SLR系统的测距精度为米级,第二代YAG调Q激光器的精度达分米级,第三代锁模激光器加微机系统在大于8000公里距离上精度达厘米级。在上海、武汉、长春、北京等先后建站,形成了中国网,数据参加国际交流。
  2. 惯性约束聚变(ICF)激光驱动器——“神光”系列
  在王淦昌、王大珩的指导下,中国科学院和中国工程物理研究院从80年代开始联合攻关,承担了“神光”系列激光系统的研制和ICF物理实验,取得了国际瞩目的成就。其中,“神光-Ⅰ”激光装置于1986年建成,输出功率2万亿瓦,达到国际同类装置的先进水平。“神光-Ⅰ”连续运行8年,在ICF和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。90年代又研制了规模扩大4倍、性能更为先进的“神光-Ⅱ”装置,并即将投入运行。1995年,IC F在“863计划”中立项,开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置,总体设 计和关键技术研究已取得一系列高水平的成果。
    3. 新型激光器
  两种高功率连续波化学激光器,3.8微米的氟氘激光器(DF)和1.315微米短波长氧碘激光器(COIL),均取得突破性进展,功率和光束质量仅次于美国,达到当前国际水平。
  X射线激光方面,碰撞机制的类氖锗软X射线激光(波长为23.2纳米和23.6纳米)达到增益饱和并具有近衍射极限的光束质量,居国际领先水平;复合泵浦X射线激光研究获得一系列国际 首次报道的新谱线,并向短波长推进到4.68纳米。
  自由电子激光器和多波长可调谐激光也取得了可喜进
  4. 中国牌新晶体走向世界
  我国发明的BBO、LBO晶体,以及KTP、钛宝石等晶体以优异的质量在国际市场享有盛誉并占有一定的份

  四、方兴未艾的激光行业
  1.武汉光谷
  武汉光谷激光产业相关企业达200多家,总收入超150亿元,比2009年增长35%。激光企业总数和激光产品年产值占全国一半以上,形成了上游为激光材料及配套元器件,中游为激光器及其配套设备,下游为激光应用产品、消费产品、仪器设备等完整的产业链,位居全国第一。
  不过,与国外相比,我国激光产业仍存在分工不明确、优势资源分散等问题,这导致了国内激光器及成套设备开发能力明显落后于国外企业。
  在此情况下,2010年湖北激光加工产业技术创新战略联盟成立,旨在联合成员单位共同促进技术突破,推动传统工业结构调整和产业升级。到目前,联盟会员单位已经达到42家,包括华工激光、武钢、武重等单位;两年间,联盟共实施国家科技攻关项目14项,获得专利40余项,占全国相关领域专利约70%。
  联盟开发的4000瓦全光纤激光器、激光在线焊接设备等产品,全面提升了我国激光器及成套设备制造的技术水平,彻底改变了高端激光装备依赖进口、核心技术和知识产权受制于国外的局面,带动产业链间接经济效益逾4000亿元。

    2.鞍山激光产业园
  辽宁(鞍山)激光科技产业园是辽宁省政府作出的发展激光产业的重大战略决策,是举全省之力建设的我国首个激光技术特色产业园。鞍山市政府把鞍山高新区作为“辽宁(鞍山)激光科技产业园”建设的承接地,建设一个集激光技术研发、应用和生产为一体的产业基地,争取5年内引进300个激光项目、投资300亿元,打造年销售收入1000亿元的国家级激光产业基地。
  辽宁(鞍山)激光科技产业园计划通过8年至10年的努力,到2020年最终形成结构合理、技术先进和体系完备的激光全产业链,既有可生产关键激光材料及配套元器件的上游产业,又有可制造国际领先水平的激光器及其配套设备的中游产业,还有可规模化制造高档激光应用产品和消费产品的下游产业。争取5年内引进300个项目、投资300亿元,实现销售收入1000亿元的目标。到2015年,每年举办一次激光产业发展国际论坛;建设1至5个国家激光应用技术工程研究中心;引进10家国际领先的大学、科研院所等科研机构;培育100家激光产业创新创业企业及科技中介服务机构,申请国内专利200项,国际专利50项;参与制定激光器及相关装备的行业及国家标准。

  3.温州千亿激光光电产业群
  11月9日,中国激光应用创新大会在温州举行。去年6月份,科技部决定在温州建设国家级激光与光电产业集群。有关人士表示,这是温州有史以来,第一次获得国家部委科技产业发展战略布局。
  目前,温州共有激光与光电企业80余家,其中高新技术企业32家。2011年,温州激光与光电行业的产值近300亿元,其中激光行业的制造激光元器件、激光器及激光应用设备等生产企业20多家,产值约10亿元。作为产业集群建设标志性工程的中国激光与光电科技创新园,规划用地1500亩,首期300亩正在落实,“今年要完成规划设计,争取明年6月份之前开工建设”,打造全球激光技术应用中心。来自温州科技部门的数据,“十二五”期间,温州激光与光电行业将新增投资260亿元,“预计新增产值将突破1000亿元”。
  千亿激光与光电产业集群的推进,作为一个具有广泛市场前景的新兴行业,给了目前经济形势下的温州实体经济巨大的想象空间。来自温州科技部门的消息,全市有60多家传统企业准备转型“进军”激光与光电产业。

  五、编者语
  激光技术是20世纪的伟大发明之一,也是21世纪重点发展的科学技术。近日,国内研制出了4kW光纤激光器,成为全球第三个掌握此项技术的国家,打破了该项技术的瓶颈,同时我们还在自由电子激光方面取得重要进展。随着我国不断加大激光产研合作,将有助于提高我国激光技术水平。

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