激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡史

激光技術(shù)的起源

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。

17 世紀(jì) -19 世紀(jì)：科學(xué)家們對光的理論探索

人們對光的本性的探求：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，這是受激輻射次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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，臺(tái)氨分子 Maser 建成，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)。

1960 年：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束激光，梅曼因而也成為一個(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，這是的一臺(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)到范圍內(nèi)應(yīng)用

1983 年， ' 星球大戰(zhàn) ' 演講，描繪了基于太空的激光。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，激光次被用作治療近視，海灣戰(zhàn)爭中次用激光。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，美國仍然是二大激光產(chǎn)業(yè)與市場區(qū)域，后被我國超越。

中國激光產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)發(fā)展階段

20 世紀(jì) 50 年代：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一所光學(xué)專業(yè)研究所—— ( 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，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)展了一部全反射式激光雷達(dá)，比美國林肯實(shí)驗(yàn)室多年。1964 年，一所，也是當(dāng)時(shí)一所激光技術(shù)的專業(yè)研究所——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) ' 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，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)域參與競爭的品牌。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)以激光為主業(yè)的上市公司。

21 世紀(jì)初：我國激光產(chǎn)業(yè)達(dá)到國際水平

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)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。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，，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)*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、國內(nèi)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)超短激光裝置，實(shí)現(xiàn)了 1PW 激光脈沖輸出。

2016 年，中國實(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 超短激光裝置。2016 年 8 月，在國際上實(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 ' *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，科技評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) ' 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 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實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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。