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我国发布激光技术与应用2035发展战略研究报告

来源:振宗联盟 更新时间:2020-07-20 浏览量:376

今年是激光发明60周年,激光技术自问世以来,给我们的生活和生产带来了天翻地覆的变化。为了促进激光技术的应用和普及,中国工程院于2018年启动了“我国激光技术与应用2035发展战略研究”重点咨询项目,本文是项目研究综合报告。文章简要分析了激光技术及在科研与产业中的工具性、引领性和颠覆性作用,提出了我国激光技术及应用2035年发展目标设想及政策措施建议。



一、前言


激光是与原子能、半导体及计算机齐名的20世纪四大重大科技发明,激光具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性好的特点,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光与相关技术的发展与融合,形成了激光制造、激光通信、激光检测、激光医疗等交叉技术学科,为人类认识世界和改造世界提供了一大批新工具,孕育和发展出多种类型的激光产业和系列装备,改变和重构了高端制造、信息通信、医疗诊断治疗和国防安防等多个领域。随着新型激光器和激光新应用的持续涌现,激光技术的作用将更为突出,将在创新型国家建设和提升国际产业竞争能力中发挥重要作用。

中国工程院组织开展了“我国激光技术与应用2035发展战略研究”重点咨询研究项目。重点提出了2035年前我国的发展目标、攻关重点和产业政策需求。


图1 激光技术

“ 光是我们社会日常生活不可或缺的元素,科学对光这一自然现象的理解和运用惠及全人类。光是首要的,正因为有了光,世界才能呈现在我们眼前。正因为光至关重要,对光的关怀深深植入所有文明之中。”

——节选自联合国教科文组织总干事 阿祖莱2020年国际光日致辞!!上帝说,要有光,于是,就有了光!(《圣经》旧约·创世纪篇)

梅曼说,我有激光!上帝说,请把它赠与人类!梅曼说,当然!人类说,谢谢!

注:作为自然科学工作者,我们不应该开口就言上帝,不过对于上帝的批判思考是可以的。作为人类的一员,我越来越感到,其实我们口称的上帝,即是人类整体的代称,也就是说我们把上帝替换为人类,以上对话仍然成立,或是说上帝是人类找来为人类代言的代言人。



二、激光技术及应用的作用与地位


(一)前沿激光技术是基础物理研究和多领域前沿科技攻关的重要工具

研究前沿激光技术,获取更高的频域特性(超短波、超长波、可调谐、单频、宽光谱等)、时域特性(超快、超强峰值等)和能量域特性(高亮度、大功率、高能等),始终是世界前沿科研的重要组成部分。

高性能激光可在实验室创造出极端条件,使得高性能前沿激光成为基础物理研究的重要工具。

高性能激光创造的频域特性、时域特性和能量域特性条件或参数,使激光成为新材料、能源、生物等科技前沿研究必不可少的工具。

纵观诺贝尔奖百年历史,与光学直接或间接相关的获奖成果多达40余项,约占诺贝尔物理学奖的40%。其中,在1960年后,几乎所有与光学相关的诺贝尔奖或多或少都与激光有关联。以下例举其中较为著名的几项。

1964年诺贝尔物理学奖 激光最早获得的诺奖

获奖者:查尔斯·汤斯(美国)、尼古拉·根纳季耶维奇·巴索夫(前苏联)、亚历山大·普罗霍罗夫(前苏联)获奖理由:在量子电子学领域的基础研究成果,该成果发展出了基于激微波—激光原理建造的振荡器和放大器

依据该研究成果,科学家在1954年制造出了激光器的前身——微波激射器。此后,基于微波器的开放式谐振腔构型,科学家在1960年研制出了激光器。

1971年诺贝尔物理学奖 构建三维逼真立体图

获奖者:伽博·丹尼斯(英国)获奖理由:发明并发展全息照相法

由于激光器的问世,光源的相干性和亮度有了显著提高,全息技术得到迅猛发展。全息技术的原理是利用光的干涉和衍射,将物体信息以干涉图的方式存储下来,通过图像反演,恢复出原物体的三维逼真立体图。该技术大量运用在科幻电影中,如《阿凡达》中的全息沙盘展示、《钢铁侠》中的悬空投影等。如今,计算机技术的快速发展已催生出全息投影技术。例如,微软基于计算全息技术于2015年开发出了Hololens,可以生成只有佩戴者能够看见的虚拟3D图像。

1981年诺贝尔物理学奖 灵敏探测的激光光谱仪

获奖者:尼古拉斯·布隆伯根(美国)、阿瑟·肖洛(美国)获奖理由:对开发激光光谱仪的贡献

激光器问世后,非线性介质和激光光谱的研究成为了热点,布隆伯根发明的基于非线性光学原理的光倍频、脉冲压缩展宽、电光调制等技术和器件,在强激光领域、激光通讯领域都不可或缺。

1997年诺贝尔物理学奖 冷冻原子捕捉“第五态”

获奖者:朱棣文(美国)、克洛德·科昂-唐努德日(法国)、威廉·菲利普斯(美国)获奖理由:发展了用激光冷却和捕获原子的方法

激光冷却技术是通过激光光子与运动的原子碰撞,从而使得原子减速,获得超低温原子。利用该技术,科学家首次观测到了物质的第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态。

1999年诺贝尔化学奖 飞秒级拍摄分子变化过程

获奖者:艾哈迈德·泽维尔(埃及、美国)获奖理由:运用激光技术,使通过化学反应观测原子在分子中的运动成为可能泽维尔被誉为“飞秒化学之父”,他应用飞秒激光技术在化学反应中观测,这也是诺贝尔化学奖第一次颁发给激光领域。由于飞秒超短脉冲激光的出现,可观测化学反应的时间尺度缩减至飞秒量级。泽维尔利用该技术测得了环丁烷裂解实验的反应过度寿命为700飞秒,并在NaI的光解反应中首次观察到化学反应过渡态的变化过程。

2009年诺贝尔物理学奖 光纤带来通讯划时代变革

获奖者:高琨(英国、美国)获奖理由:在光学通信领域,光在纤维传输方面的突破性成就

基于高琨的理论和激光器,上世纪70年代以来,康宁公司发展出可用于通讯的光纤,已成为目前主流的高速、大容量有线通信方式。

2018年诺贝尔物理学奖 “千倍放大”和“激光镊子”

获奖者:亚瑟·阿什金(美国)、杰哈·莫罗(法国)、唐娜·斯特里克兰(加拿大)获奖理由:在激光物理领域的突破性发明:“光学镊子及其在生物系统的应用”“产生高强度超短光学脉冲的方法”

(二)激光技术在塑造现代制造、信息、医疗和国防等产业中发挥着不可或缺的作用

激光制造应用是激光产业应用的主要方向,包括去除与连接、表面工程、增材制造、修复与再制造和微纳制造等5类,产值规模占激光应用产业的30%以上。激光制造具有易于操作、非接触、高柔性、高效率、高质量和节能环保等突出优点,是切割、焊接、表面处理、高性能复杂构件制造和精密制造的主流手段,被誉为“万能加工工具”、“未来制造系统共同的加工手段”,引领了先进制造业的发展,对工业智能化进程产生深远影响。根据美国科学和技术政策办公室2010年分析和统计,美国当年GDP的50%,约7.50万亿美元的产值。这是美国2010年的数据,如今已经是2020年,由此可见激光应用和发展的空间无比广阔。

以激光再制造为例,据不完全统计,目前我国从事激光再制造的民用企业大约40-50家,规模大的只有数亿元,而小的则在千万元以下。全年我国激光再制造的产值超过25亿元,服务修复各个产业核心产品价值数百亿元,为我国减少了许多重要行业的损失。但这数字同我国是世界上最大的制造工厂的地位非常不相称。作为全球最大的再制造产业国家美国,其再制造规模超过1000亿美元,再制造企业7.5万家,从事人员50多万人(2017年的数据)。从产业产值规模来看,假设我国的再制造产业占GDP比重达到0.2%,则2015年我国再制造产业的产值规模将超过1272.93亿元,2016年将达到1447亿元。由此可见我国的发展空间有多大。

激光技术是现代信息产业的支撑技术。光纤通信是高速互联网不可或缺的物质基础;无线光通信技术是实现海量信息远距离快速传输的唯一方式,也是巨型计算机、大型超算中心、第五代移动通信技术(5G)基站和5G数据中心等内部及相互之间高速海量数据传输交换的主要方式;光存储是海量大数据信息存储的主要方式;高清晰激光显示技术将引发“人类视觉史上的一场革命”。“阅尽千帆、还是激光显示最美”。此外,激光技术还是高精度测量传感、无人驾驶和量子通信的重要基础。

激光技术已是医疗和诊断领域中不可替代的一类技术手段。

在国防领域,激光已应用于测距、成像、指向、制导、通信及对抗等,改善了武器装备性能,如提高命中率和可靠性,而且某种意义上也改变了现代战争的面貌。近年来,直接利用激光能量杀伤目标的高能激光武器已接近成熟,将逐步进入多种应用装备的研制和列装阶段。受小型无人机应用快速拓展的影响,低空防御型激光系统因作为和平时期重要地点、重大活动安防不可或缺的手段而得到快速发展。

(三)加速发展激光技术及应用可有力推动和引领经济产业转型升级

激光技术的广泛应用和持续拓展,显示这是一项极其重要的核心关键技术、基础性技术和引领性技术,有力推动和引领着经济产业发展和转型升级。

第一,激光技术是一项重要的工具性技术,其应用可以加速改变相关行业面貌,激光在制造行业、信息通信和医疗行业的应用及扩展就说明了这一点。

第二,激光技术是一项极强的渗透性的基础性技术。激光产品所支撑的经济规模远远大于本身的经济规模。2010年美国科技政策办公室的一份研究报告指出,2009—2010年美国的电信、电子商务及信息技术总价值为4万亿美元,其中激光器自身的价值仅为32亿美元(半导体和光纤激光器)。换个角度,激光技术产品在经济体系中的重要性远超产品本身的价值规模。

第三,激光技术孕育孵化新应用的能力很强,能够不断与其他技术融合创造新应用和新产业,具有突出的产业引领性特征。5G基站建设已成为热门的投资方向,今年,中国移动、中国电信、中国联通、中国铁塔相继公布了2020年的5G投资计划,合计投资总额约2000亿元。据中国信息通信研究院预测,到2025年5G网络建设投资累计将达到1.2万亿元,并将带动产业链上下游以及各行业应用投资超过3.5万亿元。另外,激光显示技术的成熟即将催生万亿级的产业规模。据统计,2018年中国电视年生产量达到1.7亿台,产值超过6000亿元,电视产业链产值超万亿,并且早已成为全球最大的彩电制造中心和最大的消费市场。

5G来临,激光让理想照进现实!

这就是第五代移动无线通信技术为什么如此引人注目的原因。每个人心中的5G 却又如此的不同:

对于普通人来说,5G 是更快的网速;对于通信设计者来说, 5G 是新的编码,新的标准;对于天线工程师来说, 是更高的频率,更多的天线;对于战略家来说, 5G 是我们对于两大定理接近极限的应用。未来前途茫茫,这是进入迷途的困惑。我们需要新的理论解决大流量、低时延的问题。

我们就需要更高的加工精度、更高性能的材料、更密集的电路以及更新的加工手段。激光,当然是激光,作为20世纪另一个重要发明,更短波长、短脉冲的激光带来了更高的精度,飞秒激光的加工精度已经进入了个位微米等级。其实,对于移动通信以及高频产业,短脉冲激光早已在很多场景中有了成功的应用,这些应用在5G时代的应用不仅会得到延续,更有着巨大的想象和发展空间,且让我们拭目以待。



三、我国激光技术与应用发展现状分析


(一)我国激光技术科研主要力量集中在科研院所和高等学校,企业相对较弱科研院所和高校是我国激光器系统科学技术研究的主要力量

高校和科研院所承担了大部分国家计划的激光科研攻关项目,企业占比很小。在激光制造与增材制造国家重点研发计划的支持下,这一状况有所改变 。

相比较而言,我国企业在开展激光科研方面力量相对较弱,获得国家科技计划资助也相对较少。以著名的再制造企业卡特彼勒为例,2014财年,其收入为551.84亿美元,其研发费用达到了22亿美元。我国仅华为研发费用比较高,每年超过1000亿元。一方面这反映出我国企业科研实力、科研基础相对较弱,无法与高校和科研院所竞争;另一方面也说明目前激光领域资助项目来自产业前沿较少,问题较为基础,风险较大,与产业关联较弱,企业兴趣不大。另外我们国家的激光企业同国外相干公司、通快公司以及IPG等公司的科研实力相比存在差距,同时我们在前期科研院所同企业的合作交流较少也有关系,我们目前还没有可以类似和媲美德国弗朗和夫激光技术研究所这样的机构也有关系。这一方面在近年来正在逐步改善。

(二)我国激光科研领域覆盖面广,总体技术水平还不够高

在前沿科研方向领域中,新型半导体激光器、超快超强激光器、深/极紫外激光器、高能固体激光器和自由电子激光器领域是主要方向,具有以下几个特点:第一,在反映激光本质的频域特性(超短波、超长波、可调谐、单频、宽光谱等)、时域特性(超快、超强峰值等)和能量域特性(高亮度、大功率、高能等)方面具有比普通激光器更高的性能;第二,有着重要的应用需求,且目前的性能距离应用需求尚有一定差距;第三,预示着激光技术的重要发展趋势和方向(往往包含着新材料、新结构、新原理、新体制的发现和发明)。前沿激光技术是关系到占领未来科技战略制高点的关键技术之一,是国际上各国激烈竞争的焦点。当前,我国科技计划对上述前沿激光技术方向都有一定的规划布局和支持,总体上说,大部分研究方向与世界先进方向有一定差距。

在智能制造领域,我国激光制造已成为过去十年先进制造领域发展最快的方向之一,但大部分技术还处于跟踪国外先进水平的阶段。

在信息领域,与我国移动通信和数据通信市场的领先发展同步,我国光纤通信的科研和产业化开发等达到世界先进水平。

在医疗领域,近年来激光医疗的基础研究和技术创新迅速增长。

在国防领域,经过几十年的艰苦努力,我国激光武器技术总体上与国际先进水平接近。

(三)我国激光应用产业快速发展,国际竞争力快速提升,但高端、原创产品仍不多

我国已经形成华中、华南、华东和环渤海四大激光产业带。2019年仅激光工业设备产值超过1000亿元,不含光通信、光显示等行业。形成了武汉中国光谷、深圳和苏州三个激光发展比较集聚的城市,济南、天津、沧州 也发展迅速。成都、西安也在积极的发展当中。

经过多年的努力,我国激光企业在中低端激光产业上已站稳脚跟,但在高端技术水平的产业和高端核心部件上与世界先进水平仍有较大差距;在产品上,跟随型产品居多,我国原创或首创性的产品相对较少。



路漫漫其修远兮, 未来我国激光产业化和商品化的道路还非常漫 长, 这其中还有许多关键技术需要解决,我国的激光产业仍将快速发展。随着中美贸易战的长期性和复杂性共存的复杂局面的现实,抛弃幻想,走自力更生的国产化道路是必然的选择。

(四)我国激光应用产业更快更好发展还面临一系列制约因素

(1)缺少制度性的顶层统筹谋划和长远规划。

(2)支撑激光产业发展的基础研究(如支撑新产品研发的新机理、新机制、新工艺)不够,导致原创性激光产业稀少。

(3)关键共性技术供给不足。

(4)“产学研用”协同创新不够。

(5)产业发展政策有待加强。

(6)专业人才培养覆盖不足。



四、我国激光技术与应用2035年发展目标


(一)指导思想

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,以服务于实现“两个一百年”目标为根本遵循,以提升激光科技与产业支撑总体国家安全的能力为核心,着力加强顶层谋划,着力解决制约激光技术创新和产业高质量发展的管理体制机制束缚和关键核心技术的自主可控问题,努力培育新兴激光应用产业,加快我国激光技术和应用产业的高质量发展,实现我国激光科技和产业的历史性跨越。

(二)总体目标

到2035年,我国激光技术与应用的整体水平和研究能力显著提高,前沿技术、应用技术和产业化水平总体均衡,主要领域技术水平达到世界先进,主要激光产业领域达到先进国家同等水平,有效支撑我国创新驱动和可持续发展,并创造较大的经济效益和社会效益。

(1)突破超高亮度、超短脉冲和单频超稳激光器等前沿激光技术,发挥对天文学等基础物理研究的支撑作用。

(2)建设一批重大激光装置(如超短超强、XFEL、THz-FEL装置等),支撑材料、生物、能源等基础研究,夯实我国科技发展后劲。我国已经建设了上海超强超短激光实验装置、神光Ⅱ激光装置、神光III激光装置、上海软X射线激光装置、大连极紫外相干光源五大激光装置。

(3)自主突破激光半导体芯片等关键瓶颈产品,实现产业核心基础的自主可控水平,保障经济安全。

(4)发展新型半导体激光器等新型激光器,发展激光新应用的机理、工艺等应用基础研究,创造新产业,有效支撑和促进5G、大数据、云计算、量子技术、无人驾驶等新兴产业的发展,实现引领发展的作用。

(5)激光在智能制造和信息领域的技术水平和产业规模达到世界先进水平,有效支撑我国制造产业转型升级。

(6)服务健康中国战略,持续拓展医疗诊断应用,提升激光医疗装备满足高端市场能力。

(7)积极发展国防与安防应用,满足国家需求。

(三)领域目标

在前沿方向领域,到2035年,我国半导体激光器、高能固体激光器、超快超强激光、深/极紫外激光和自由电子激光等激光前沿技术研究的整体水平和研究能力显著提高,实现一系列核心技术的突破,建成一批重大激光科研装置,实现我国前沿激光技术由跟跑、并跑向领跑的转换,支撑和促进我国基础科研的研究和前沿应用科技的发展。

在智能制造领域,2035年基础研究取得一批原创性成果;

在信息领域,我国激光信息技术和产业到2035年将处于世界领先地位。

在医疗领域,到2035年的目标是建立激光医疗体系评价标准,完善医疗激光器以及整个激光产业生态环境 。



五、加速我国激光技术与应用发展的措施建议


(1)强化顶层统筹谋划,引领我国激光技术与应用产业快速发展。

(2)加强基础研究,聚力突破产业化发展中的重大基础问题和核心基础材料、器件,努力打造自主可控的产业共性技术基础,为可持续发展奠定扎实基础。

(3)实施若干应用研发专项,加大产业扶持政策,打造多个新激光产业链。

(4)创新产业协同机制,完善激光产业创新生态。如充分发挥行业协会、产业联盟等行业团体在产业规划、产业共性技术问题提出与研发、产业标准规范制定中的作用。

(5)强化激光基础教育,加大对激光及光学应用人才培养力度。



六、结语


2020年是激光发明60周年,激光技术和应用的发展极大地改变了世界。党的“十九大”确定了2035年基本实现社会主义现代化和跻身创新型国家前列的战略目标,这为激光技术和应用带来了前所未有的发展机遇,也对激光技术与应用的发展提出了高标准的要求。我们必须充分认识激光技术与应用的作用和潜力,认清制约发展的困难与挑战,加强统筹谋划,以改革的大无畏精神和勇气突破各种制约,坚持自主创新和开放创新,坚持应用和产业为目标牵引,强化激光技术攻关,完善激光产业创新生态,积极抢占国际竞争制高点,为中华民族伟大复兴中国梦的实现贡献力量。


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