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中国激光技术发展回顾与展望
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中国激光技术发展回顾与展望 （ 范滇元 中国工程院院士） “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、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。 [ Last edited by mainpro on 2005-12-5 at 13:13 ] |
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