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深度解讀

國民工業(yè)增長引擎:一文帶你洞悉激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡史

激光制造網(wǎng) 來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院2022-08-10 我要評(píng)論(0 )   

導(dǎo)讀:了解激光的起源,要從人類發(fā)現(xiàn)光波動(dòng)和微粒運(yùn)動(dòng)的規(guī)律開始說起。激光技術(shù)的起源17世紀(jì)-19世紀(jì):科學(xué)家們對(duì)光的理論探索人們對(duì)光的本性的探求:惠更斯、虎克光的波...

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導(dǎo)讀:

了解激光的起源,要從人類發(fā)現(xiàn)光波動(dòng)和微粒運(yùn)動(dòng)的規(guī)律開始說起。

激光技術(shù)的起源

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17世紀(jì)-19世紀(jì):科學(xué)家們對(duì)光的理論探索

人們對(duì)光的本性的探求:惠更斯、虎克光的波動(dòng)說表示,光是以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌?dòng)過程。牛頓微粒說認(rèn)為,光是以經(jīng)典方式運(yùn)動(dòng)著的微小粒子。到了19世紀(jì),光的波動(dòng)本性有了進(jìn)一步發(fā)展,比如電磁場理論、麥克斯韋方程組。19世紀(jì)下半葉發(fā)展起來的電磁場理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現(xiàn)象。

20世紀(jì)初:科學(xué)家們對(duì)光進(jìn)行了進(jìn)一步的理論研究及實(shí)驗(yàn)證明

然而到了20世紀(jì)初,出現(xiàn)了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和康普頓散射等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,這些涉及到光與物質(zhì)相互作用時(shí)能量與動(dòng)量交換特征的就無法用當(dāng)時(shí)的經(jīng)典理論來解釋。1900年,普朗克提出了能量量子化概念,并因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1905年,愛因斯坦提出光子假說并成功解釋了光電效應(yīng),并因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1913年,玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型,并因此獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1917年,愛因斯坦在玻爾的原理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出了受激輻射理論,為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎(chǔ);1928年,Landenburg證實(shí)了受激輻射和“負(fù)吸收”的存在;

1930年代:受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1930年代描述了原子的受激輻射。在此之后人們很長時(shí)間都在猜測,這個(gè)現(xiàn)象可否被用來加強(qiáng)光場,因?yàn)榍疤崾墙橘|(zhì)必須存在著群數(shù)反轉(zhuǎn)(或譯居量反轉(zhuǎn))populationinversion的狀態(tài)。在一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)中,這是不可能的。人們首先想到用三級(jí)系統(tǒng),而且計(jì)算證實(shí)了輻射的穩(wěn)定性。又過了十幾年,Lamb和Reherford在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射,這是受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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1950年:光學(xué)泵浦的方法探究及實(shí)現(xiàn)

1950年Kastler提出了光學(xué)泵浦的方法,兩年后該方法被實(shí)現(xiàn)。他因?yàn)樘岢隽诉@種利用光學(xué)手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。次年,湯斯提出受激輻射微波放大,即MASER的概念。

1954年:受激輻射原理技術(shù)應(yīng)用被成功證明

1954年,第一臺(tái)氨分子Maser建成,首次實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),其主要作用是放大無線電信號(hào),以便研究宇宙背景輻射。美國湯斯、前蘇聯(lián)巴素夫和普羅克霉洛夫發(fā)明氮分子微波報(bào)蕩器,微波波段受激輻射放大器的研制成功證明了受激輻射原理技術(shù)應(yīng)用的可能性。湯斯由于在受激輻射放大方面的成就獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1958年:激光時(shí)代的開啟

1958年,美國科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象:當(dāng)他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí),晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象,他們提出了"激光原理",即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵(lì)時(shí),都會(huì)產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。湯新和貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖洛在《物理評(píng)論》上發(fā)表《紅外和光學(xué)激射器》(InfraredandOpticalMaser)的論文,討論并概括了光波段受截輻射放大器的主要問題和困難,給出了實(shí)現(xiàn)光受激輻射放大需要滿足的必要條件,這篇文章標(biāo)志著激光時(shí)代的開端,也標(biāo)志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺(tái)。


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國外激光產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程

1960年:世界上第一臺(tái)激光器的誕生

1960年5月16日,美國加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光,這是人類有史以來獲得的第一束激光,梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。同年休斯實(shí)驗(yàn)室的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光,這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器。

20世紀(jì)60年代:不同類型的激光器陸續(xù)誕生

1960年年中,IBM實(shí)驗(yàn)室利用CaF2中的三價(jià)鈾制成了第一臺(tái)四能級(jí)固體激光器;1960年12月,BELL實(shí)驗(yàn)室的Javan,Bennett和Herriott制成了第一臺(tái)氦氖氣體激光器;1962年,GaAs半導(dǎo)體激光器誕生;1963年,液體激光器誕生;1964年,CO2激光器、離子激光器、Nd:YAG固體激光器誕生;1965年,HCl化學(xué)激光器誕生;1966年,生物染料激光器誕生;1969年,激光開始用于遙感探測。

20世紀(jì)70年代:激光器開始于生產(chǎn)生活當(dāng)中

1971年,激光用于舞臺(tái)光影效果和激光全息影像;1974年超市條形碼出現(xiàn);1975年IBM商用激光打印機(jī)誕生;1978年,飛利浦制造第一臺(tái)激光盤(LD)播放器。

20世紀(jì)80年代:激光技術(shù)升級(jí)到全球范圍內(nèi)應(yīng)用

1983年,里根“星球大戰(zhàn)”演講,描繪了基于太空的激光武器。在1980年代后期,半導(dǎo)體技術(shù)使得更高效而耐用的半導(dǎo)體激光二極管成為可能,這些在小功率的CD和DVD光驅(qū)和光纖數(shù)據(jù)線中得到使用。1988年,北美和歐洲間架設(shè)了第一根光纖,用脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)90年代:激光在制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用

1990年,激光用于制造業(yè),包括集成電路和汽車制造;1991年,激光第一次被用作治療近視,海灣戰(zhàn)爭中第一次用激光制造導(dǎo)彈。1996年,東芝推出數(shù)字多用途光盤播放器(DVD)。在1990年代,高功率的激光激發(fā)原理得到實(shí)現(xiàn),比如片狀激光和纖維激光。后者由于新的加工技術(shù)和20kW的高功率不斷地被應(yīng)用到材料加工領(lǐng)域中,從而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。

2000年代至今:激光產(chǎn)業(yè)鏈已逐步完善

2000年代,激光的非線性得到利用,來制造X射線脈沖(來跟蹤原子內(nèi)部的過程);另一方面,藍(lán)光和紫外線激光二極管已經(jīng)開始進(jìn)入市場。美國擁有激光企業(yè)上千家,形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈,在激光光學(xué)、軟件、加工解決方案、激光儀器等都有成熟的發(fā)展。目前主要企業(yè)包括Coherent、IPG、Newport、nLight、Novanta、ESI、II-VI、Aerotech、Synrad、PRC、Iradion、AccessLaser、Thorlabs等。直至2014年,美國仍然是全球第二大激光產(chǎn)業(yè)與市場區(qū)域,后被我國超越。


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中國激光產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)發(fā)展階段

20世紀(jì)50年代:中國第一所光學(xué)專業(yè)研究所成立

1957年,王大珩等在長春建立了中國第一所光學(xué)專業(yè)研究所——中國科學(xué)院(長春)光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所。標(biāo)志著我國進(jìn)入了激光研制階段。

20世紀(jì)60年代:中國激光研制進(jìn)入了快速發(fā)展階段

1961年夏,在王之江主持下,中國第一臺(tái)紅寶石激光器于長春光機(jī)所研制成功,僅在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室一年之后。1964年,錢學(xué)森院士提議取名為“激光”,既反映了“受激輻射”的科學(xué)內(nèi)涵,又表明它是一種強(qiáng)烈的新能源。20世紀(jì)60年代初,陳定昌被任命為“激光雷達(dá)項(xiàng)目”項(xiàng)目組長,該項(xiàng)目建成了世界上第一部激光雷達(dá)樣機(jī),用詳實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),突破了“四個(gè)科學(xué)原理”的限制,發(fā)展了中國第一部全反射式激光雷達(dá),比美國林肯實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先多年。1964年,中國第一所,也是當(dāng)時(shí)世界上第一所激光技術(shù)的專業(yè)研究所——中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所成立。1964年,“6403”高能釹玻璃激光系統(tǒng)啟動(dòng)。1965年,開始研究高功率激光系統(tǒng)和核聚變。1966年,制定研制15種軍用激光整機(jī)等重點(diǎn)項(xiàng)目。盡管早在60年代已在加工、醫(yī)療器械和測距等方面出現(xiàn)了激光產(chǎn)業(yè)的雛形,然而當(dāng)時(shí)只是零星的、分散的小量研制性生產(chǎn),未能形成氣候。

20世紀(jì)70年代:中國激光工業(yè)出現(xiàn)短暫的停滯

改革開放前,激光產(chǎn)業(yè)的研究出現(xiàn)了短暫的停滯。直到1976年,由中科院長春光機(jī)所、長春第一汽車制造廠轎車分廠等單位合作研制的CO2激光切割機(jī)成功的應(yīng)用于“紅旗”牌轎車覆蓋件的切割上。同年,武漢的趙梓森院士團(tuán)隊(duì)拉制出具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一根實(shí)用光纖。1978年,中科院長春光機(jī)所采用研制的500WCO2激光器對(duì)工業(yè)上用的數(shù)種金屬材料較為系統(tǒng)的激光熱處理研究實(shí)驗(yàn)。在1978年改革開放以后,激光產(chǎn)業(yè)在中國真正得到重視并實(shí)質(zhì)性起步。

20世紀(jì)80年代:中國激光工業(yè)開始恢復(fù)工業(yè)生產(chǎn)

1980年,長春召開“全國電子束與激光束熱處理學(xué)術(shù)交流會(huì)”第一次全國性專業(yè)會(huì)議,“高密度熱處理技術(shù)委員會(huì)及”“激光加工專業(yè)技術(shù)委員會(huì)成立”。1982年,激光加工列為“七五”“十二五”國家科技重點(diǎn)攻關(guān)內(nèi)容。1983年,“全國熱處理學(xué)術(shù)交流會(huì)與攻關(guān)方案論證會(huì)”在武漢召開,包括激光器及激光熱處理工藝等若干項(xiàng)目通過方案論證,正式列入國家“六五”科技攻關(guān)課題。1987年,中國科學(xué)院上海光機(jī)所研制的神光裝置,在核工業(yè)部第九研究院合作下,經(jīng)試運(yùn)轉(zhuǎn)一年半后通過國家級(jí)鑒定。1988年武漢成立了東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū),又稱中國光谷。光谷的光電子信息產(chǎn)業(yè)已成為代表中國在這一領(lǐng)域參與全球競爭的知名品牌。在上海,很多前沿產(chǎn)業(yè)應(yīng)用大展拳腳,如汽車行業(yè)的激光熱成型切割就是非常典型的案例。

20世紀(jì)90年代:中國激光企業(yè)進(jìn)入資本化階段

1994,我國第一臺(tái)激光陀螺工程化樣機(jī)在國防科技大學(xué)誕生,我國成為世界上第四個(gè)能夠獨(dú)立研制“激光陀螺”的國家。1996年,大族激光成立,并于2004年在深圳證券交易所上市。1999年,華工科技成立。2000年,在深圳證券交易所上市,成為華中地區(qū)第一家以激光為主業(yè)的上市公司。

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中國激光產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展階段

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21世紀(jì)初:我國激光產(chǎn)業(yè)達(dá)到國際領(lǐng)先水平

2003年9月,在“863”計(jì)劃和中科院創(chuàng)新工程的支持下,中科院5個(gè)院所聯(lián)合攻關(guān),在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了激光全色投影顯示。2006年1月研制出140英寸激光全色顯示原理樣機(jī)并通過了相關(guān)部門鑒定,鑒定結(jié)論為總體與國際同步,色域覆蓋率國際領(lǐng)先。2004年,烽火通信繼推出激光輸出功率達(dá)100W以上的雙包層摻鐿光纖后,將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W,達(dá)到國際領(lǐng)先水平,是我國在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。

“十一五”期間:激光技術(shù)成為中國長期發(fā)展計(jì)劃

2006年,激光技術(shù)列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》,成為中國未來15年重點(diǎn)發(fā)展的八項(xiàng)前言技術(shù)之一。2007年,武漢銳科激光成立,通過技術(shù)研發(fā)打破了光纖激光器領(lǐng)域技術(shù)依賴與價(jià)格壟斷,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,迫使同類進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格下降50%。2011年,《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南(2011)》將激光加工技術(shù)及設(shè)備列為當(dāng)前應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的21項(xiàng)先進(jìn)制造高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

“十二五”期間:我國激光技術(shù)已經(jīng)趕超歐美

2012年,《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出加快推進(jìn)激光顯示等新一代技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

2012年,華工科技與武漢銳科激光共同研制出4kW光纖激光器,成為全球第三個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的光纖激光器企業(yè)。2014年,國防科技大學(xué)激光陀螺技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平激光陀螺全閉環(huán)研發(fā)體系,研發(fā)與應(yīng)用水平達(dá)到了國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。2015年,中科院上海光機(jī)所研制的10PW(千萬億瓦,拍瓦)級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置,實(shí)現(xiàn)了1PW激光脈沖輸出。

2016年,中國首次實(shí)現(xiàn)了“高功率光纖激光器”核心器件全國產(chǎn)化目標(biāo),汽車制造中的高質(zhì)高效激光焊接、切割關(guān)鍵工藝及成套裝備”項(xiàng)目,打破了40多年的國外壟斷。12月,上海超強(qiáng)超短激光裝置(SULF)項(xiàng)目在上海浦東張江開工,目標(biāo)是建成世界首套10PW超強(qiáng)超短激光裝置。2016年8月,在國際上首次實(shí)現(xiàn)了200J以上能量水平的寬帶激光放大輸出,驗(yàn)證了時(shí)域雙脈沖泵浦技術(shù)抑制大口徑鈦寶石放大器寄生振蕩的可行性。目前,該裝置已基本建成并部分進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài),用戶平臺(tái)已搭建完成并開展測試實(shí)驗(yàn),正逐步驗(yàn)證驗(yàn)收指標(biāo)。

“十三五”期間:我國激光產(chǎn)業(yè)不斷取得關(guān)鍵性突破

2017年,《“十三五”先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》提出開展激光器標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),實(shí)現(xiàn)高性能激光器及核心關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。2019年7月,南京理工大學(xué)朱日宏、沈華教授承擔(dān)的2017年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“工業(yè)級(jí)大功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”(項(xiàng)目編號(hào):2017YFB1104400)中的子課題“3萬瓦級(jí)光纖激光器用光閘的研制”所研制的萬瓦級(jí)光閘樣機(jī)在武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司通過了樣機(jī)的性能測試。2019年12月,科技部科技評(píng)估中心在北京組織召開國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“高端全息光柵研發(fā)”項(xiàng)目綜合驗(yàn)收會(huì),項(xiàng)目順利通過驗(yàn)收。2020年,中山大學(xué)蔡鑫倫教授團(tuán)隊(duì)與國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希博士團(tuán)隊(duì)合作,在超高速電光調(diào)制器芯片的研究中取得了突破性進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)了世界首例可用于數(shù)字相干光通信的高性能鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器芯片。

“十四五”期間:我國激光產(chǎn)業(yè)成為工業(yè)發(fā)展的增長引擎

2021年,《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》提出重點(diǎn)發(fā)展高速高精度光探測器、高速直調(diào)和外調(diào)制激光器、高功率激光器。2021年6月21日,我國首臺(tái)X射線自由電子激光裝置——上海軟X射線自由電子激光裝置成功獲得首批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),首次獲得飛秒尺度的“水窗”波段X光照片,成為國際上僅有的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)“水窗”波段相干衍射成像實(shí)驗(yàn)的自由電子激光裝置之一。如今在武漢、上海、深圳等地激光技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用已和國際領(lǐng)先水平接軌。而這幾年在溫州、鞍山等地也陸續(xù)建成了激光產(chǎn)業(yè)集群。

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參考資料:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國激光產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》


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