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我國發(fā)布激光技術與應用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究報告

返回列表 來源:周口鼓風機 發(fā)布日期:2020.07.31

今年是激光發(fā)明60周年,激光技術自問世以來,給我們的生活和生產(chǎn)帶來了天翻地覆的變化。為了促進激光技術的應用和普及,中國工程院于2018年啟動了“我國激光技術與應用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點咨詢項目,本文是項目研究綜合報告。文章簡要分析了激光技術及在科研與產(chǎn)業(yè)中的工具性、引領性和顛覆性作用,提出了我國激光技術及應用2035年發(fā)展目標設想及政策措施建議。

 
一、前言
 

 

激光是與原子能、半導體及計算機齊名的20世紀四大重大科技發(fā)明,激光具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性好的特點,被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光與相關技術的發(fā)展與融合,形成了激光制造、激光通信、激光檢測、激光醫(yī)療等交叉技術學科,為人類認識世界和改造世界提供了一大批新工具,孕育和發(fā)展出多種類型的激光產(chǎn)業(yè)和系列裝備,改變和重構(gòu)了高端制造、信息通信、醫(yī)療診斷治療和國防安防等多個領域。隨著新型激光器和激光新應用的持續(xù)涌現(xiàn),激光技術的作用將更為突出,將在創(chuàng)新型國家建設和提升國際產(chǎn)業(yè)競爭能力中發(fā)揮重要作用。

中國工程院組織開展了“我國激光技術與應用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點咨詢研究項目。重點提出了2035年前我國的發(fā)展目標、攻關重點和產(chǎn)業(yè)政策需求。

圖1 激光技術

“ 光是我們社會日常生活不可或缺的元素,科學對光這一自然現(xiàn)象的理解和運用惠及全人類。光是首要的,正因為有了光,世界才能呈現(xiàn)在我們眼前。正因為光至關重要,對光的關懷深深植入所有文明之中。”

——節(jié)選自聯(lián)合國教科文組織總干事 阿祖萊2020年國際光日致辭??!上帝說,要有光,于是,就有了光?。ā妒ソ?jīng)》舊約·創(chuàng)世紀篇)

梅曼說,我有激光!上帝說,請把它贈與人類!梅曼說,當然!人類說,謝謝!

注:作為自然科學工作者,我們不應該開口就言上帝,不過對于上帝的批判思考是可以的。作為人類的一員,我越來越感到,其實我們口稱的上帝,即是人類整體的代稱,也就是說我們把上帝替換為人類,以上對話仍然成立,或是說上帝是人類找來為人類代言的代言人。

 
 
二、激光技術及應用的作用與地位
 

 

(一)前沿激光技術是基礎物理研究和多領域前沿科技攻關的重要工具

研究前沿激光技術,獲取更高的頻域特性(超短波、超長波、可調(diào)諧、單頻、寬光譜等)、時域特性(超快、超強峰值等)和能量域特性(高亮度、大功率、高能等),始終是世界前沿科研的重要組成部分。

高性能激光可在實驗室創(chuàng)造出極端條件,使得高性能前沿激光成為基礎物理研究的重要工具。

高性能激光創(chuàng)造的頻域特性、時域特性和能量域特性條件或參數(shù),使激光成為新材料、能源、生物等科技前沿研究必不可少的工具。

縱觀諾貝爾獎百年歷史,與光學直接或間接相關的獲獎成果多達40余項,約占諾貝爾物理學獎的40%。其中,在1960年后,幾乎所有與光學相關的諾貝爾獎或多或少都與激光有關聯(lián)。以下例舉其中較為著名的幾項。

1964年諾貝爾物理學獎 激光最早獲得的諾獎

獲獎者:查爾斯·湯斯(美國)、尼古拉·根納季耶維奇·巴索夫(前蘇聯(lián))、亞歷山大·普羅霍羅夫(前蘇聯(lián))獲獎理由:在量子電子學領域的基礎研究成果,該成果發(fā)展出了基于激微波—激光原理建造的振蕩器和放大器

依據(jù)該研究成果,科學家在1954年制造出了激光器的前身——微波激射器。此后,基于微波器的開放式諧振腔構(gòu)型,科學家在1960年研制出了激光器。

1971年諾貝爾物理學獎 構(gòu)建三維逼真立體圖

獲獎者:伽博·丹尼斯(英國)獲獎理由:發(fā)明并發(fā)展全息照相法

由于激光器的問世,光源的相干性和亮度有了顯著提高,全息技術得到迅猛發(fā)展。全息技術的原理是利用光的干涉和衍射,將物體信息以干涉圖的方式存儲下來,通過圖像反演,恢復出原物體的三維逼真立體圖。該技術大量運用在科幻電影中,如《阿凡達》中的全息沙盤展示、《鋼鐵俠》中的懸空投影等。如今,計算機技術的快速發(fā)展已催生出全息投影技術。例如,微軟基于計算全息技術于2015年開發(fā)出了Hololens,可以生成只有佩戴者能夠看見的虛擬3D圖像。

1981年諾貝爾物理學獎 靈敏探測的激光光譜儀

獲獎者:尼古拉斯·布隆伯根(美國)、阿瑟·肖洛(美國)獲獎理由:對開發(fā)激光光譜儀的貢獻

激光器問世后,非線性介質(zhì)和激光光譜的研究成為了熱點,布隆伯根發(fā)明的基于非線性光學原理的光倍頻、脈沖壓縮展寬、電光調(diào)制等技術和器件,在強激光領域、激光通訊領域都不可或缺。

1997年諾貝爾物理學獎 冷凍原子捕捉“第五態(tài)”

獲獎者:朱棣文(美國)、克洛德·科昂-唐努德日(法國)、威廉·菲利普斯(美國)獲獎理由:發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法

激光冷卻技術是通過激光光子與運動的原子碰撞,從而使得原子減速,獲得超低溫原子。利用該技術,科學家首次觀測到了物質(zhì)的第五態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

1999年諾貝爾化學獎 飛秒級拍攝分子變化過程

獲獎者:艾哈邁德·澤維爾(埃及、美國)獲獎理由:運用激光技術,使通過化學反應觀測原子在分子中的運動成為可能澤維爾被譽為“飛秒化學之父”,他應用飛秒激光技術在化學反應中觀測,這也是諾貝爾化學獎第一次頒發(fā)給激光領域。由于飛秒超短脈沖激光的出現(xiàn),可觀測化學反應的時間尺度縮減至飛秒量級。澤維爾利用該技術測得了環(huán)丁烷裂解實驗的反應過度壽命為700飛秒,并在NaI的光解反應中首次觀察到化學反應過渡態(tài)的變化過程。

2009年諾貝爾物理學獎 光纖帶來通訊劃時代變革

獲獎者:高琨(英國、美國)獲獎理由:在光學通信領域,光在纖維傳輸方面的突破性成就

基于高琨的理論和激光器,上世紀70年代以來,康寧公司發(fā)展出可用于通訊的光纖,已成為目前主流的高速、大容量有線通信方式。

2018年諾貝爾物理學獎 “千倍放大”和“激光鑷子”

獲獎者:亞瑟·阿什金(美國)、杰哈·莫羅(法國)、唐娜·斯特里克蘭(加拿大)獲獎理由:在激光物理領域的突破性發(fā)明:“光學鑷子及其在生物系統(tǒng)的應用”“產(chǎn)生高強度超短光學脈沖的方法”

(二)激光技術在塑造現(xiàn)代制造、信息、醫(yī)療和國防等產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用

激光制造應用是激光產(chǎn)業(yè)應用的主要方向,包括去除與連接、表面工程、增材制造、修復與再制造和微納制造等5類,產(chǎn)值規(guī)模占激光應用產(chǎn)業(yè)的30%以上。激光制造具有易于操作、非接觸、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點,是切割、焊接、表面處理、高性能復雜構(gòu)件制造和精密制造的主流手段,被譽為“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”,引領了先進制造業(yè)的發(fā)展,對工業(yè)智能化進程產(chǎn)生深遠影響。根據(jù)美國科學和技術政策辦公室2010年分析和統(tǒng)計,美國當年GDP的50%,約7.50萬億美元的產(chǎn)值。這是美國2010年的數(shù)據(jù),如今已經(jīng)是2020年,由此可見激光應用和發(fā)展的空間無比廣闊。

以激光再制造為例,據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國從事激光再制造的民用企業(yè)大約40-50家,規(guī)模大的只有數(shù)億元,而小的則在千萬元以下。全年我國激光再制造的產(chǎn)值超過25億元,服務修復各個產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)品價值數(shù)百億元,為我國減少了許多重要行業(yè)的損失。但這數(shù)字同我國是世界上最大的制造工廠的地位非常不相稱。作為全球最大的再制造產(chǎn)業(yè)國家美國,其再制造規(guī)模超過1000億美元,再制造企業(yè)7.5萬家,從事人員50多萬人(2017年的數(shù)據(jù))。從產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模來看,假設我國的再制造產(chǎn)業(yè)占GDP比重達到0.2%,則2015年我國再制造產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值規(guī)模將超過1272.93億元,2016年將達到1447億元。由此可見我國的發(fā)展空間有多大。

激光技術是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的支撐技術。光纖通信是高速互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的物質(zhì)基礎;無線光通信技術是實現(xiàn)海量信息遠距離快速傳輸?shù)奈ㄒ环绞?,也是巨型計算機、大型超算中心、第五代移動通信技術(5G)基站和5G數(shù)據(jù)中心等內(nèi)部及相互之間高速海量數(shù)據(jù)傳輸交換的主要方式;光存儲是海量大數(shù)據(jù)信息存儲的主要方式;高清晰激光顯示技術將引發(fā)“人類視覺史上的一場革命”。“閱盡千帆、還是激光顯示最美”。此外,激光技術還是高精度測量傳感、無人駕駛和量子通信的重要基礎。

激光技術已是醫(yī)療和診斷領域中不可替代的一類技術手段。

在國防領域,激光已應用于測距、成像、指向、制導、通信及對抗等,改善了武器裝備性能,如提高命中率和可靠性,而且某種意義上也改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的面貌。近年來,直接利用激光能量殺傷目標的高能激光武器已接近成熟,將逐步進入多種應用裝備的研制和列裝階段。受小型無人機應用快速拓展的影響,低空防御型激光系統(tǒng)因作為和平時期重要地點、重大活動安防不可或缺的手段而得到快速發(fā)展。

(三)加速發(fā)展激光技術及應用可有力推動和引領經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

激光技術的廣泛應用和持續(xù)拓展,顯示這是一項極其重要的核心關鍵技術、基礎性技術和引領性技術,有力推動和引領著經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級。

第一,激光技術是一項重要的工具性技術,其應用可以加速改變相關行業(yè)面貌,激光在制造行業(yè)、信息通信和醫(yī)療行業(yè)的應用及擴展就說明了這一點。

第二,激光技術是一項極強的滲透性的基礎性技術。激光產(chǎn)品所支撐的經(jīng)濟規(guī)模遠遠大于本身的經(jīng)濟規(guī)模。2010年美國科技政策辦公室的一份研究報告指出,2009—2010年美國的電信、電子商務及信息技術總價值為4萬億美元,其中激光器自身的價值僅為32億美元(半導體和光纖激光器)。換個角度,激光技術產(chǎn)品在經(jīng)濟體系中的重要性遠超產(chǎn)品本身的價值規(guī)模。

第三,激光技術孕育孵化新應用的能力很強,能夠不斷與其他技術融合創(chuàng)造新應用和新產(chǎn)業(yè),具有突出的產(chǎn)業(yè)引領性特征。5G基站建設已成為熱門的投資方向,今年,中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、中國鐵塔相繼公布了2020年的5G投資計劃,合計投資總額約2000億元。據(jù)中國信息通信研究院預測,到2025年5G網(wǎng)絡建設投資累計將達到1.2萬億元,并將帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游以及各行業(yè)應用投資超過3.5萬億元。另外,激光顯示技術的成熟即將催生萬億級的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計,2018年中國電視年生產(chǎn)量達到1.7億臺,產(chǎn)值超過6000億元,電視產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超萬億,并且早已成為全球最大的彩電制造中心和最大的消費市場。

5G來臨,激光讓理想照進現(xiàn)實!

這就是第五代移動無線通信技術為什么如此引人注目的原因。每個人心中的5G 卻又如此的不同:

對于普通人來說,5G 是更快的網(wǎng)速;對于通信設計者來說, 5G 是新的編碼,新的標準;對于天線工程師來說, 是更高的頻率,更多的天線;對于戰(zhàn)略家來說, 5G 是我們對于兩大定理接近極限的應用。未來前途茫茫,這是進入迷途的困惑。我們需要新的理論解決大流量、低時延的問題。

我們就需要更高的加工精度、更高性能的材料、更密集的電路以及更新的加工手段。激光,當然是激光,作為20世紀另一個重要發(fā)明,更短波長、短脈沖的激光帶來了更高的精度,飛秒激光的加工精度已經(jīng)進入了個位微米等級。其實,對于移動通信以及高頻產(chǎn)業(yè),短脈沖激光早已在很多場景中有了成功的應用,這些應用在5G時代的應用不僅會得到延續(xù),更有著巨大的想象和發(fā)展空間,且讓我們拭目以待。

 

 
 
三、我國激光技術與應用發(fā)展現(xiàn)狀分析
 

 

(一)我國激光技術科研主要力量集中在科研院所和高等學校,企業(yè)相對較弱科研院所和高校是我國激光器系統(tǒng)科學技術研究的主要力量

高校和科研院所承擔了大部分國家計劃的激光科研攻關項目,企業(yè)占比很小。在激光制造與增材制造國家重點研發(fā)計劃的支持下,這一狀況有所改變 。

相比較而言,我國企業(yè)在開展激光科研方面力量相對較弱,獲得國家科技計劃資助也相對較少。以著名的再制造企業(yè)卡特彼勒為例,2014財年,其收入為551.84億美元,其研發(fā)費用達到了22億美元。我國僅華為研發(fā)費用比較高,每年超過1000億元。一方面這反映出我國企業(yè)科研實力、科研基礎相對較弱,無法與高校和科研院所競爭;另一方面也說明目前激光領域資助項目來自產(chǎn)業(yè)前沿較少,問題較為基礎,風險較大,與產(chǎn)業(yè)關聯(lián)較弱,企業(yè)興趣不大。另外我們國家的激光企業(yè)同國外相干公司、通快公司以及IPG等公司的科研實力相比存在差距,同時我們在前期科研院所同企業(yè)的合作交流較少也有關系,我們目前還沒有可以類似和媲美德國弗朗和夫激光技術研究所這樣的機構(gòu)也有關系。這一方面在近年來正在逐步改善。

(二)我國激光科研領域覆蓋面廣,總體技術水平還不夠高

在前沿科研方向領域中,新型半導體激光器、超快超強激光器、深/極紫外激光器、高能固體激光器和自由電子激光器領域是主要方向,具有以下幾個特點:第一,在反映激光本質(zhì)的頻域特性(超短波、超長波、可調(diào)諧、單頻、寬光譜等)、時域特性(超快、超強峰值等)和能量域特性(高亮度、大功率、高能等)方面具有比普通激光器更高的性能;第二,有著重要的應用需求,且目前的性能距離應用需求尚有一定差距;第三,預示著激光技術的重要發(fā)展趨勢和方向(往往包含著新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理、新體制的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明)。前沿激光技術是關系到占領未來科技戰(zhàn)略制高點的關鍵技術之一,是國際上各國激烈競爭的焦點。當前,我國科技計劃對上述前沿激光技術方向都有一定的規(guī)劃布局和支持,總體上說,大部分研究方向與世界先進方向有一定差距。

在智能制造領域,我國激光制造已成為過去十年先進制造領域發(fā)展最快的方向之一,但大部分技術還處于跟蹤國外先進水平的階段。

在信息領域,與我國移動通信和數(shù)據(jù)通信市場的領先發(fā)展同步,我國光纖通信的科研和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)等達到世界先進水平。

在醫(yī)療領域,近年來激光醫(yī)療的基礎研究和技術創(chuàng)新迅速增長。

在國防領域,經(jīng)過幾十年的艱苦努力,我國激光武器技術總體上與國際先進水平接近。

(三)我國激光應用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,國際競爭力快速提升,但高端、原創(chuàng)產(chǎn)品仍不多

我國已經(jīng)形成華中、華南、華東和環(huán)渤海四大激光產(chǎn)業(yè)帶。2019年僅激光工業(yè)設備產(chǎn)值超過1000億元,不含光通信、光顯示等行業(yè)。形成了武漢中國光谷、深圳和蘇州三個激光發(fā)展比較集聚的城市,濟南、天津、滄州 也發(fā)展迅速。成都、西安也在積極的發(fā)展當中。

經(jīng)過多年的努力,我國激光企業(yè)在中低端激光產(chǎn)業(yè)上已站穩(wěn)腳跟,但在高端技術水平的產(chǎn)業(yè)和高端核心部件上與世界先進水平仍有較大差距;在產(chǎn)品上,跟隨型產(chǎn)品居多,我國原創(chuàng)或首創(chuàng)性的產(chǎn)品相對較少。

路漫漫其修遠兮, 未來我國激光產(chǎn)業(yè)化和商品化的道路還非常漫 長, 這其中還有許多關鍵技術需要解決,我國的激光產(chǎn)業(yè)仍將快速發(fā)展。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的長期性和復雜性共存的復雜局面的現(xiàn)實,拋棄幻想,走自力更生的國產(chǎn)化道路是必然的選擇。

(四)我國激光應用產(chǎn)業(yè)更快更好發(fā)展還面臨一系列制約因素

(1)缺少制度性的頂層統(tǒng)籌謀劃和長遠規(guī)劃。

(2)支撐激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎研究(如支撐新產(chǎn)品研發(fā)的新機理、新機制、新工藝)不夠,導致原創(chuàng)性激光產(chǎn)業(yè)稀少。

(3)關鍵共性技術供給不足。

(4)“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新不夠。