国民工业增长引擎：一文带你洞悉激光产业发展简史

[导读]人们对光的本性的探求：惠更斯、虎克光的波动说表示，光是以一定方式沿空间传输的波动过程。牛顿微粒说认为，光是以经典方式运动着的微小粒子。到了19世纪，光的波动本性有了进一步发展，比如电磁场理论、麦克斯韦方程组。19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象。

导读：

了解激光的起源，要从人类发现光波动和微粒运动的规律开始说起。

激光技术的起源

17世纪-19世纪：科学家们对光的理论探索

人们对光的本性的探求：惠更斯、虎克光的波动说表示，光是以一定方式沿空间传输的波动过程。牛顿微粒说认为，光是以经典方式运动着的微小粒子。到了19世纪，光的波动本性有了进一步发展，比如电磁场理论、麦克斯韦方程组。19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象。

20世纪初：科学家们对光进行了进一步的理论研究及实验证明

然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖;1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖;1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖;1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础;1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在;

1930年代：受激辐射第一次被实验验证

1930年代描述了原子的受激辐射。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转)populationinversion的状态。在一个二级系统中,这是不可能的。人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。又过了十几年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。

1950年：光学泵浦的方法探究及实现

1950年Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。次年，汤斯提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。

1954年：受激辐射原理技术应用被成功证明

1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。美国汤斯、前苏联巴素夫和普罗克霉洛夫发明氮分子微波报荡器，微波波段受激辐射放大器的研制成功证明了受激辐射原理技术应用的可能性。汤斯由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。

1958年：激光时代的开启

1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。汤新和贝尔实验室的肖洛在《物理评论》上发表《红外和光学激射器》(InfraredandOpticalMaser)的论文，讨论并概括了光波段受截辐射放大器的主要问题和困难，给出了实现光受激辐射放大需要满足的必要条件，这篇文章标志着激光时代的开端，也标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。

国外激光产业化发展进程

1960年：世界上第一台激光器的诞生

1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。同年休斯实验室的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。

20世纪60年代：不同类型的激光器陆续诞生

1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器;1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器;1962年，GaAs半导体激光器诞生;1963年，液体激光器诞生;1964年，CO2激光器、离子激光器、Nd：YAG固体激光器诞生;1965年，HCl化学激光器诞生;1966年，生物染料激光器诞生;1969年，激光开始用于遥感探测。

20世纪70年代：激光器开始于生产生活当中

1971年，激光用于舞台光影效果和激光全息影像;1974年超市条形码出现;1975年IBM商用激光打印机诞生;1978年，飞利浦制造第一台激光盘(LD)播放器。

20世纪80年代：激光技术升级到全球范围内应用

1983年，里根“星球大战”演讲，描绘了基于太空的激光武器。在1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。1988年，北美和欧洲间架设了第一根光纤，用脉冲来传输数据。

20世纪90年代：激光在制造业中发挥越来越重要的作用

1990年，激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造;1991年，激光第一次被用作治疗近视，海湾战争中第一次用激光制造导弹。1996年，东芝推出数字多用途光盘播放器(DVD)。在1990年代，高功率的激光激发原理得到实现，比如片状激光和纤维激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。

2000年代至今：激光产业链已逐步完善

2000年代，激光的非线性得到利用，来制造X射线脉冲(来跟踪原子内部的过程);另一方面，蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。美国拥有激光企业上千家，形成了完整的产业链，在激光光学、软件、加工解决方案、激光仪器等都有成熟的发展。目前主要企业包括Coherent、IPG、Newport、nLight、Novanta、ESI、II-VI、Aerotech、Synrad、PRC、Iradion、AccessLaser、Thorlabs等。直至2014年，美国仍然是全球第二大激光产业与市场区域，后被我国超越。

中国激光产业基础发展阶段

20世纪50年代：中国第一所光学专业研究所成立

1957年，王大珩等在长春建立了中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。标志着我国进入了激光研制阶段。

20世纪60年代：中国激光研制进入了快速发展阶段

1961年夏，在王之江主持下，中国第一台红宝石激光器于长春光机所研制成功，仅在美国贝尔实验室一年之后。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，又表明它是一种强烈的新能源。20世纪60年代初，陈定昌被任命为“激光雷达项目”项目组长，该项目建成了世界上第一部激光雷达样机，用详实准确的实验数据，突破了“四个科学原理”的限制，发展了中国第一部全反射式激光雷达，比美国林肯实验室领先多年。1964年，中国第一所，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成立。1964年，“6403”高能钕玻璃激光系统启动。1965年，开始研究高功率激光系统和核聚变。1966年，制定研制15种军用激光整机等重点项目。尽管早在60年代已在加工、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。

20世纪70年代：中国激光工业出现短暂的停滞

改革开放前，激光产业的研究出现了短暂的停滞。直到1976年，由中科院长春光机所、长春第一汽车制造厂轿车分厂等单位合作研制的CO2激光切割机成功的应用于“红旗”牌轿车覆盖件的切割上。同年，武汉的赵梓森院士团队拉制出具有中国自主知识产权的第一根实用光纤。1978年，中科院长春光机所采用研制的500WCO2激光器对工业上用的数种金属材料较为系统的激光热处理研究实验。在1978年改革开放以后，激光产业在中国真正得到重视并实质性起步。

20世纪80年代：中国激光工业开始恢复工业生产

1980年，长春召开“全国电子束与激光束热处理学术交流会”第一次全国性专业会议，“高密度热处理技术委员会及”“激光加工专业技术委员会成立”。1982年，激光加工列为“七五”“十二五”国家科技重点攻关内容。1983年，“全国热处理学术交流会与攻关方案论证会”在武汉召开，包括激光器及激光热处理工艺等若干项目通过方案论证，正式列入国家“六五”科技攻关课题。1987年，中国科学院上海光机所研制的神光装置，在核工业部第九研究院合作下，经试运转一年半后通过国家级鉴定。1988年武汉成立了东湖新技术开发区，又称中国光谷。光谷的光电子信息产业已成为代表中国在这一领域参与全球竞争的知名品牌。在上海，很多前沿产业应用大展拳脚，如汽车行业的激光热成型切割就是非常典型的案例。

20世纪90年代：中国激光企业进入资本化阶段

1994，我国第一台激光陀螺工程化样机在国防科技大学诞生，我国成为世界上第四个能够独立研制“激光陀螺”的国家。1996年，大族激光成立，并于2004年在深圳证券交易所上市。1999年，华工科技成立。2000年，在深圳证券交易所上市，成为华中地区第一家以激光为主业的上市公司。

中国激光产业快速发展阶段

21世纪初：我国激光产业达到国际领先水平

2003年9月，在“863”计划和中科院创新工程的支持下，中科院5个院所联合攻关，在国内率先实现了激光全色投影显示。2006年1月研制出140英寸激光全色显示原理样机并通过了相关部门鉴定，鉴定结论为总体与国际同步，色域覆盖率国际领先。2004年，烽火通信继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，将该类新型光纤的输出功率成功提高至440W，达到国际领先水平，是我国在高功率激光器用光纤领域的重大突破。

“十一五”期间：激光技术成为中国长期发展计划

2006年，激光技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，成为中国未来15年重点发展的八项前言技术之一。2007年，武汉锐科激光成立，通过技术研发打破了光纤激光器领域技术依赖与价格垄断，填补了国内空白，迫使同类进口产品价格下降50%。2011年，《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2011)》将激光加工技术及设备列为当前应优先发展的21项先进制造高技术产业化重点领域之一。

“十二五”期间：我国激光技术已经赶超欧美

2012年，《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出加快推进激光显示等新一代技术研发和产业化。

2012年，华工科技与武汉锐科激光共同研制出4kW光纤激光器，成为全球第三个掌握此项技术的光纤激光器企业。2014年，国防科技大学激光陀螺技术创新团队构建了具有独立知识产权的高水平激光陀螺全闭环研发体系，研发与应用水平达到了国际先进、国内领先水平。2015年，中科院上海光机所研制的10PW(千万亿瓦，拍瓦)级超强超短激光装置，实现了1PW激光脉冲输出。

2016年，中国首次实现了“高功率光纤激光器”核心器件全国产化目标，汽车制造中的高质高效激光焊接、切割关键工艺及成套装备”项目，打破了40多年的国外垄断。12月，上海超强超短激光装置(SULF)项目在上海浦东张江开工，目标是建成世界首套10PW超强超短激光装置。2016年8月，在国际上首次实现了200J以上能量水平的宽带激光放大输出，验证了时域双脉冲泵浦技术抑制大口径钛宝石放大器寄生振荡的可行性。目前，该装置已基本建成并部分进入试运行状态，用户平台已搭建完成并开展测试实验，正逐步验证验收指标。

“十三五”期间：我国激光产业不断取得关键性突破

2017年，《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》提出开展激光器标准建设，实现高性能激光器及核心关键部件的国产化与产业化。2019年7月，南京理工大学朱日宏、沈华教授承担的2017年国家重点研发计划项目“工业级大功率光纤激光器关键技术及产业化”(项目编号：2017YFB1104400)中的子课题“3万瓦级光纤激光器用光闸的研制”所研制的万瓦级光闸样机在武汉锐科光纤激光技术股份有限公司通过了样机的性能测试。2019年12月，科技部科技评估中心在北京组织召开国家重大科学仪器设备开发专项“高端全息光栅研发”项目综合验收会，项目顺利通过验收。2020年，中山大学蔡鑫伦教授团队与国家信息光电子创新中心肖希博士团队合作，在超高速电光调制器芯片的研究中取得了突破性进展，实现了世界首例可用于数字相干光通信的高性能铌酸锂薄膜电光调制器芯片。

“十四五”期间：我国激光产业成为工业发展的增长引擎

2021年，《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年)》提出重点发展高速高精度光探测器、高速直调和外调制激光器、高功率激光器。2021年6月21日，我国首台X射线自由电子激光装置——上海软X射线自由电子激光装置成功获得首批实验数据，首次获得飞秒尺度的“水窗”波段X光照片，成为国际上仅有的两个实现“水窗”波段相干衍射成像实验的自由电子激光装置之一。如今在武汉、上海、深圳等地激光技术的研发及应用已和国际领先水平接轨。而这几年在温州、鞍山等地也陆续建成了激光产业集群。