激光技术的发展与展望

激光技术的发展与展望"激光”一词是"LASER”的意译。LASER原是Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation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、铢系离子的利用、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。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展。"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。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。军用激光研究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：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。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?quot;神光-II"装置，并即将投入运行。1995年，ICF在"863计划"中立项，开始研制跨世纪的巨型激光驱动器--"神光-田"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。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展。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额。四、方兴未艾的激光行业尽管早在60年代已在加工（激光打孔）、医疗器械和测距等方面出现了激光产业的雏形，然而当时只是零星的、分散的小量研制性生产，未能形成气候。真正得到重视并实质性起步，还是在改革开放发后，特别是"发展高技术，实现产业化"的政策导向下，我国才有了真正意义上的激光产业。1987年1月，中国光学行业协会成立，后改名为中国光学光电子行业协会，其下设有激光分会。据1998年该行业协会对我国激光产业状况的调研统计，全国主要激光产品生产单位约100多家，从业人员6400人，人均销售额12.5万元，主要分布在湖北、北京和上海。我国的激光产业由1988年的1亿元增加到1998年的8亿元，平均年增长22.3%，10年总销售额达41.2亿元。1998年出口1120万美元，占总值的11.6%。按国际惯用分类方法，激光产品包括激光加工、医疗、印刷、光存储，测距准直、检测、文娱教育中的各种激光仪器和设备，激光器件和通信用激光组件，以及激光用材料元器件和部件等11类。在我国，销售额最大的是激光测距和准直，发展最快的是激光加工（近两年来YAG激光加工设备以46%-60%的速率增长，达9000万元，超过了CO2激光加工设备）。激光医疗市场开发较早，曾以高速度增长，但现正处于低谷，销售额在5500万元徘徊。高端产品市场几乎全被国外产品占领，但天津大学开发的TD-98型Q开关红宝石激光治疗机以质量取胜，通过了美国FDA认证并批量出口。1998年激光器分类表明固体激光占37.4%，半导体激光占18.5%，呈现出固体激光市场旺盛，半导体激光迅速增长的趋势。二极管泵浦的固体激光器（脉冲、连续、单模稳频、微片、倍频）将成为新的增长点。由于历史原因，我们激光科研力量相对较强，而激光产业尚处幼稚产业阶段，在社会转型时期如何