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技術(shù)專(zhuān)題

我國激光技術(shù)的發(fā)展與展望

發(fā)布日期:2014-07-08 點(diǎn)擊:1683

    "激光"一詞是"LASER"的意譯。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字頭組合而成的專(zhuān)門(mén)名詞,在我國曾被翻譯成"萊塞"、"光激射器"、"光受激輻射放大器"等。1964年,錢(qián)學(xué)森院士提議取名為"激光",既反映了"受激輻射"的科學(xué)內涵,又表明它是一種很強烈的新光源,貼切、傳神而又簡(jiǎn)潔,得到我國科學(xué)界的一致認同并沿用至今。

     從1961年中國第一臺激光器宣布研制成功至今,在全國激光科研、教學(xué)、生產(chǎn)和使用單位共同努力下,我國形成了門(mén)類(lèi)齊全、水平先進(jìn)、應用廣泛的激光科技領(lǐng)域,并在產(chǎn)業(yè)化上取得可喜進(jìn)步,為我國科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟和國防建設作出了積極貢獻,在國際上了也爭得了一席之地。

一、我國早期激光技術(shù)的發(fā)展            

     1957年,王大珩等在長(cháng)春建立了我國第一所光學(xué)專(zhuān)業(yè)研究所--中國科學(xué)院(長(cháng)春)光學(xué)精密儀器機械研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)"光機所")。在老一輩專(zhuān)家帶領(lǐng)下,一批青年科技工作者迅速成長(cháng),鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學(xué)家肖洛、湯斯關(guān)于激光原理的著(zhù)名論文發(fā)表不久,他便積極倡導開(kāi)展這項新技術(shù)研究,在短時(shí)間內凝聚了富有創(chuàng )新精神的中青年研究隊伍,提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設想和實(shí)驗方案。1960年世界第一臺激光器問(wèn)世。1961年夏,在王之江主持下,我國第一臺紅寶石激光器研制成功。此后短短幾年內,激光技術(shù)迅速發(fā)展,產(chǎn)生了一批先進(jìn)成果。各種類(lèi)型的固體、氣體、半導體和化學(xué)激光器相繼研制成功。在基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)方面、一系列新概念、新方法和新技術(shù)(如腔的Q突變及轉鏡調Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等)紛紛提出并獲得實(shí)施,其中不少具有獨創(chuàng )性。

     同時(shí),作為具有高亮度、高方向性、高質(zhì)量等優(yōu)異特性的新光源,激光很快應用于各技術(shù)領(lǐng)域,顯示出強大的生命力和競爭力。通信方面,1964年9月用激光演示傳送電視圖像,1964年11月實(shí)現3~30公里的通話(huà)。工業(yè)方面,1965年5月激光打孔機成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn),獲得顯著(zhù)經(jīng)濟效益。醫學(xué)方面,1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動(dòng)物和臨床實(shí)驗。國防方面,1965年12月研制成功激光漫反射測距機(精度為10米/10公里),1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測速儀。

     可以說(shuō),在起步階段我國的激光技術(shù)發(fā)展迅速,無(wú)論是數量還是質(zhì)量,都和當時(shí)國際水平接近,一項創(chuàng )新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進(jìn)行列,在我國近代科技發(fā)展史上并不多見(jiàn)。這些成績(jì)的取得,尤其是能夠把物理設想、技術(shù)方案順利地轉化成實(shí)際激光器件,主要得力于光機所多年來(lái)在技術(shù)光學(xué)、精密機械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅實(shí)基礎。一項新技術(shù)的開(kāi)發(fā),沒(méi)有足夠的技術(shù)支撐是很難形成氣候的。

二、重點(diǎn)項目帶動(dòng)激光技術(shù)的發(fā)展

     激光科技事業(yè)從一開(kāi)始就得到了領(lǐng)導和科學(xué)管理部門(mén)的高度重視。當時(shí)中國科學(xué)院副院長(cháng)張勁夫提出建立專(zhuān)業(yè)激光研究所的設想,很快得到國家科委、國家計委的批準。主管科技的聶榮臻副總理還特別批示:研究所要建在上海,上海有較好的工業(yè)基礎,有利于發(fā)展這一新技術(shù)。1964年,我國第一所,也是當時(shí)世界上第一所激光技術(shù)的專(zhuān)業(yè)研究所--中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)"上海光機所")成立。當年12月在上海召開(kāi)全國激光會(huì )議,張勁夫、嚴濟慈出席并主持會(huì )議,140位代表提交了103篇學(xué)術(shù)報告。

    1964年啟動(dòng)的"6403"高能釹玻璃激光系統、1965年開(kāi)始研究的高功率激光系統和核聚變研究,以及1966年制定的研制15種軍用激光整機等重點(diǎn)項目,由于技術(shù)上的綜合性和高難度,有力地牽引和帶動(dòng)了激光技術(shù)各方面在中國的發(fā)展。我國的激光科技事業(yè),雖然也遭遇了"文革"十年浩劫,但借助于重點(diǎn)項目的支撐,仍艱難地生存了下來(lái)并取得可貴的進(jìn)展。

1."6403"高能釹玻璃激光系統

     1964年啟動(dòng),最后從技術(shù)上判定熱效應是根本性技術(shù)障礙,于1976年下馬。這一項目對發(fā)展高能激光技術(shù)有歷史貢獻是不可忽視的,它使我國激光技術(shù)的水平上了一個(gè)臺階。其成果主要表現在:(1)建成了具有工程規模的大口徑(120毫米)振蕩-放大型激光系統,最大輸出能量達32萬(wàn)焦耳;改善光束質(zhì)量后達3萬(wàn)焦耳。(2)實(shí)現了系統技術(shù)集成,成功地進(jìn)行了打靶實(shí)驗,室內10米處擊穿80毫米鋁靶,室外2公里距離擊穿0.2毫米鋁耙,并系統地研究了強激光輻射的生物效應和材料破壞機理。(3)第一次揭示了強光對激光系統本身的光損傷現象和機制。(4)第一次深入和理解激光光束質(zhì)量的重要性和物理內涵,采用了一系列提高光束質(zhì)量的創(chuàng )新性技術(shù),如萬(wàn)焦耳級非穩腔激光器、片狀激光器、振蕩-掃瞄放大式激光系統、尖劈法光束質(zhì)量診斷等。(5)激光元器件和支撐技術(shù)有了突破性提高,如低吸收高均勻性釹玻璃熔煉工藝、高能脈沖氙氣、高強度介質(zhì)膜、大口徑(1.2米)光學(xué)精密加工等。(6)培養和造就了一批技術(shù)骨干隊伍。

2. 高功率激光系統和核聚變研究

     1964年王淦昌獨立提出激光聚變倡議,1965年立項開(kāi)始研究。經(jīng)幾年努力,建成了輸出功率10(上標10)瓦的納秒級激光裝置,并于1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我國第一臺多程片狀放大器,把激光輸出功率提高了10倍,中子產(chǎn)額增加了一個(gè)量級。在國際上向心壓縮原理解密后,積極跟蹤并于1976年研制成六束激光系統,對充氣玻殼靶照射,獲得了近百倍的體壓縮。這一系列的重大突破,使我國的激光聚變研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列,也為以后長(cháng)期的持續發(fā)展奠定了基礎。

3. 軍用激光研究

    1966年12月,國防科委主持召開(kāi)了軍用激光規劃會(huì ),48個(gè)單位130余人參加,會(huì )議制定了包括含15種激光整機、9種支撐配套技術(shù)的發(fā)展規劃。雖未正式批準生效,但仍起了有益的推動(dòng)作用。此后的幾年內,這一領(lǐng)域涌現了一批重要成果。例如:(1)靶場(chǎng)激光距技術(shù)初試成功:采用重復頻率為20赫茲的YAG調Q激光器,測距精度優(yōu)于2米,最遠測量距離達660公里,加在經(jīng)緯儀上,可實(shí)現對飛行目標的單站定軌。這一成果為以后完成洲際導彈再入段軌跡測量創(chuàng )造了必要條件。(2)紅寶石激光人造衛星測距:成功地對美國實(shí)驗衛星Expl-27號、29號和36號進(jìn)行了測量、最遠可測距離為2300公里,精度2米左右。這是第一代人造衛星的測距成果,為以后更遠距離、更高精度的人造衛星測距打下了基礎。(3)紅寶石激光雷達和機載紅外激光雷達,首次實(shí)現了地-空和空-空對飛機的跟蹤測距。(4)激光航測儀:將激光測距機和航空照相機組合,由飛機機載對地航測,完成對邊遠地區等復要地形的測繪。重復率6次/分,測距精度1米。(5)地炮激光測距機:可獨立完成觀(guān)察、測距、測角(方向和高低角)及磁針定向等功能。測距范圍300-10000米,精度5米。

     在激光應用方面,Nd:YAG激光通信(3-12路)、He-Ne激光通信、單路/三路半導體激光通信在通信試驗中已獲得成功;Nd:YAG激光手術(shù)刀、CO2激光手術(shù)刀、激光虹膜切除儀等醫療設備也已投入使用;激光全息攝影、激光全息在平面光彈中的應用,脈沖激光動(dòng)態(tài)全息照相和拉曼分光光度計已成為計量科學(xué)的新手段;數控激光切割機、激光準直儀、激光分離同位素硫、用于農業(yè)研究的液體激光器、大屏幕導航顯示器等成果也在工農業(yè)中獲得了應用。

     1978年3月召開(kāi)的全國科學(xué)大會(huì )上,獲得獎勵的激光項目有近80項,其中民品約70項,軍品約10項,綜合地反映了我國激光技術(shù)發(fā)展在這一時(shí)期的成績(jì)。

三、改革開(kāi)放后取得前所未有的進(jìn)步
     改革開(kāi)放以來(lái),激光技術(shù)獲得了空前發(fā)展的機遇。20多年來(lái),面向應用,面向世界,面向未來(lái),激光科技事業(yè)取得了前所未有的進(jìn)步,涌現出一批國際先進(jìn)水平的成果,為邁向21世紀打下了堅實(shí)的基礎。

     1980年5月,分別在上海、北京舉行了第一次國際激光會(huì )議,與會(huì )代表218人(國外66人),宣讀113篇報告(國外65篇),鄧小平同志親切接見(jiàn)了與會(huì )中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門(mén)又舉行了第二次、第三次國際會(huì )議,改變了我國的激光技術(shù)多年來(lái)封閉運轉的局面,開(kāi)始走向世界。一大批年輕科技人才出國進(jìn)修,其中相當一部分優(yōu)秀人才學(xué)成歸國。為了形成高水平的研究開(kāi)發(fā)中心,對科研隊伍和布局進(jìn)行了積極調整,先后成立了一批國家重點(diǎn)實(shí)驗室、開(kāi)放實(shí)驗室、國家工程研究中心和產(chǎn)學(xué)研組織。由于擁有國際先進(jìn)的儀器設備和設施,聚集了高水平的科技人才,又有較為靈活的運行機制,目前正在為激光科技成果轉化、創(chuàng )造自主知識產(chǎn)權和促進(jìn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)揮重要作用。在多項國家級戰略性科技計劃中,激光技術(shù)受到重視。"863"計劃七大領(lǐng)域中有激光技術(shù)和光電子技術(shù)(包括用于信息領(lǐng)域的激光技術(shù)),1995年又增列了"慣性約束聚變"主題。國防預研光電子技術(shù)作為跨部門(mén)項目正式立項,其中也包括激光技術(shù)。國家"六五"和"七五"攻關(guān)計劃,激光技術(shù)被列為重大項目。此外,國家自然科學(xué)基金1986-1998年間年平均資助27.6個(gè)激光領(lǐng)域項目。這些由國家支持的計劃都經(jīng)過(guò)了充分論證和嚴格挑選,對國民經(jīng)濟和國防建設具有重要意義。許多激光科研單位也主動(dòng)進(jìn)行組織體制和運行機制的改革,面向市場(chǎng)、鼓勵創(chuàng )新、大力促進(jìn)科技成果向商品轉化,取得了可喜成績(jì)。

     激光器研究向縱深發(fā)展,不斷追求高光束質(zhì)量、高穩定性、長(cháng)壽命、短脈沖、波長(cháng)可調諧等目標。這一時(shí)期,激光技術(shù)成果豐碩,許多具有重大應用價(jià)值和達到國際先進(jìn)水平。其中的代表性成果有:

1. 測距和測衛

      新一代實(shí)用測距系統投入使用,完成了預定的重要任務(wù)。其中,718和G-179激光電影經(jīng)緯儀投入使用并圓滿(mǎn)完成任務(wù);第一臺全激光跟蹤測距雷達外場(chǎng)試驗成功;第一臺實(shí)用化紅外激光雷達(G-168)設計定型,交用戶(hù)使用;戰術(shù)軍用激光測距儀(炮兵、坦克、手持)批量生產(chǎn)。建成第三代人造衛星激光測距系統反入使用并達到國際水平。第一代紅寶石SLR系統的測距精度為米級,第二代YAG調Q激光器的精度達分米級,第三代鎖模激光器加微機系統在大于8000公里距離上精度達厘米級。在上海、武漢、長(cháng)春、北京等先后建站,形成了中國網(wǎng),數據參加國際交流。

2. 慣性約束聚變(ICF)激光驅動(dòng)器--"神光"系列

     在王淦昌、王大珩的指導下,中國科學(xué)院和中國工程物理研究院從80年代開(kāi)始聯(lián)合攻關(guān),承擔了"神光"系列激光系統的研制和ICF物理實(shí)驗,取得了國際矚目的成就。其中,"神光-Ⅰ"激光裝置于1986年建成,輸出功率2萬(wàn)億瓦,達到國際同類(lèi)裝置的先進(jìn)水平。"神光-Ⅰ"連續運行8年,在ICF和X射線(xiàn)激光等前沿領(lǐng)域取得了一批國際一流水平的物理成果。90年代又研制了規模擴大4倍、性能更為先進(jìn)?quot;神光-Ⅱ"裝置,并即將投入運行。1995年,ICF在"863計劃"中立項,開(kāi)始研制跨世紀的巨型激光驅動(dòng)器--"神光-Ⅲ"裝置,總體設計和關(guān)鍵技術(shù)研究已取得一系列高水平的成果。

3. 新型激光器
     兩種高功率連續波化學(xué)激光器,3.8微米的氟氘激光器(DF)和1.315微米短波長(cháng)氧碘激光器(COIL),均取得突破性進(jìn)展,功率和光束質(zhì)量?jì)H次于美國,達到當前國際水平。X射線(xiàn)激光方面,碰撞機制的類(lèi)氖鍺軟X射線(xiàn)激光(波長(cháng)為23.2納米和23.6納米)達到增益飽和并具有近衍射極限的光束質(zhì)量,居國際領(lǐng)先水平;復合泵浦X射線(xiàn)激光研究獲得一系列國際首次報道的新譜線(xiàn),并向短波長(cháng)推進(jìn)到4.68納米。自由電子激光器和多波長(cháng)可調諧激光也取得了可喜進(jìn)展。

4. 中國牌新晶體走向世界
     我國發(fā)明的BBO、LBO晶體,以及KTP、鈦寶石等晶體以?xún)?yōu)異的質(zhì)量在國際市場(chǎng)享有盛譽(yù)并占有一定的份額。

四、方興未艾的激光行業(yè)

     盡管早在60年代已在加工(激光打孔)、醫療器械和測距等方面出現了激光產(chǎn)業(yè)的雛形,然而當時(shí)只是零星的、分散的小量研制性生產(chǎn),未能形成氣候。真正得到重視并實(shí)質(zhì)性起步,還是在改革開(kāi)放發(fā)后,特別是"發(fā)展高技術(shù),實(shí)現產(chǎn)業(yè)化"的政策導向下,我國才有了真正意義上的激光產(chǎn)業(yè)。
     1987年1月,中國光學(xué)行業(yè)協(xié)會(huì )成立,后改名為中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì ),其下設有激光分會(huì )。據1998年該行業(yè)協(xié)會(huì )對我國激光產(chǎn)業(yè)狀況的調研統計,全國主要激光產(chǎn)品生產(chǎn)單位約100多家,從業(yè)人員6400人,人均銷(xiāo)售額12.5萬(wàn)元,主要分布在湖北、北京和上海。我國的激光產(chǎn)業(yè)由1988年的1億元增加到1998年的8億元,平均年增長(cháng)22.3%,10年總銷(xiāo)售額達41.2億元。1998年出口1120萬(wàn)美元,占總值的11.6%。

     按國際慣用分類(lèi)方法,激光產(chǎn)品包括激光加工、醫療、印刷、光存儲,測距準直、檢測、文娛教育中的各種激光儀器和設備,激光器件和通信用激光組件,以及激光用材料元器件和部件等11類(lèi)。在我國,銷(xiāo)售額比較大的是激光測距和準直,發(fā)展最快的是激光加工(近兩年來(lái)YAG激光加工設備以46%-60%的速率增長(cháng),達9000萬(wàn)元,超過(guò)了CO2激光加工設備)。激光醫療市場(chǎng)開(kāi)發(fā)較早,曾以高速度增長(cháng),但現正處于低谷,銷(xiāo)售額在5500萬(wàn)元徘徊。高端產(chǎn)品市場(chǎng)幾乎全被國外產(chǎn)品占領(lǐng),但天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的TD-98型Q開(kāi)關(guān)紅寶石激光治療機以質(zhì)量取勝,通過(guò)了美國FDA認證并批量出口。1998年激光器分類(lèi)表明固體激光占37.4%,半導體激光占18.5%,呈現出固體激光市場(chǎng)旺盛,半導體激光迅速增長(cháng)的趨勢。二極管泵浦的固體激光器(脈沖、連續、單模穩頻、微片、倍頻)將成為新的增長(cháng)點(diǎn)。
                   
     由于歷史原因,我們激光科研力量相對較強,而激光產(chǎn)業(yè)尚處幼稚產(chǎn)業(yè)階段,在社會(huì )轉型時(shí)期如何抓住機遇,大力促進(jìn)我國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在國內外市場(chǎng)占有更多份額,是廣大激光工作者面臨的光榮而艱巨的任務(wù)。
                   
五、結束語(yǔ)

     經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的努力,我國激光技術(shù)有了較為雄厚的技術(shù)基礎,鍛煉培養了一支素質(zhì)較高的隊伍。這支隊伍遍布科研、高校、產(chǎn)業(yè)部門(mén)和企業(yè)、地方,科技人員達數千人,包括一批學(xué)成歸國的優(yōu)秀青年科學(xué)家和20多名兩院院士。可以預計,我國激光科學(xué)技術(shù)在21世紀必將有更輝煌的發(fā)展。在ICF激光驅動(dòng)器、高功率化學(xué)激光器、半導體泵浦的固體激光器、超短超強激光器、激光測距測衛、人工晶體和激光產(chǎn)業(yè)等方面,我國激光科技工作者將銳意創(chuàng )新,攀登新的高峰。

 

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