中国激光技术发展回顾与展望

2008-05-07 10:26:03来源: 飞达光学网

  “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。

  表1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展。

  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:

  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展。

  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抓住机遇,大力促进我国激光产业的发展,在国内外市场占有更多份额,是广大激光工作者面临的光荣而艰巨的任务。

  五、结束语

  经过38年的努力,我国激光技术有了较为雄厚的技术基础,锻炼培养了一支素质较高的队伍。这支队伍遍布科研、高校、产业部门和企业、地方,科技人员达数千人,包括一批学成归国的优秀青年科学家和20多名两院院士。可以预计,我国激光科学技术在21世纪必将有更辉煌的发展。在ICF激光驱动器、高功率化学激光器、半导体泵浦的固体激光器、超短超强激光器、激光测距测卫、人工晶体和激光产业等方面,我国激光科技工作者将锐意创新,攀登新的高峰。

 

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编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0507/article_811.html
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