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激光產業發展簡史

發布時間：2022-08-10人氣：1344

激光產業發展簡史

激光技術的起源

了解激光的起源，要從人類發現光波動和微粒運動的規律開始說起。

17 世紀 -19 世紀：科學家們對光的理論探索

人們對光的本性的探求：惠更斯、虎克光的波動說表示，光是以一定方式沿空間傳輸的波動過程。牛頓微粒說認為，光是以經典方式運動著的微小粒子。到了 19 世紀，光的波動本性有了進一步發展，比如電磁場理論、麥克斯韋方程組。19 世紀下半葉發展起來的電磁場理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現象。

20 世紀初：科學家們對光進行了進一步的理論研究及實驗證明

然而到了 20 世紀初，出現了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應、光化學反應和康普頓散射等實驗現象，這些涉及到光與物質相互作用時能量與動量交換特征的就無法用當時的經典理論來解釋。1900 年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此獲得 1918 年諾貝爾物理學獎 ;1905 年，愛因斯坦提出光子假說并成功解釋了光電效應，并因此獲得 1921 年諾貝爾物理學獎 ;1913 年，玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結構模型，并因此獲得 1922 年諾貝爾物理學獎 ;1917 年，愛因斯坦在玻爾的原理結構基礎上，提出了受激輻射理論，為激光的出現奠定了理論的基礎 ;1928 年，Landenburg 證實了受激輻射和 ' 負吸收 ' 的存在 ;

1930 年代：受激輻射第一次被實驗驗證

1930 年代描述了原子的受激輻射。在此之后人們很長時間都在猜測，這個現象可否被用來加強光場，因為前提是介質必須存在著群數反轉 ( 或譯居量反轉 ) populationinversion 的狀態。在一個二級系統中 , 這是不可能的。人們首先想到用三級系統，而且計算證實了輻射的穩定性。又過了十幾年，Lamb 和 Reherford 在氫原子光譜中發現了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實驗驗證。

1950 年：光學泵浦的方法探究及實現

1950 年 Kastler 提出了光學泵浦的方法，兩年后該方法被實現。他因為提出了這種利用光學手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎。次年，湯斯提出受激輻射微波放大，即 MASER 的概念。

1954 年：受激輻射原理技術應用被成功證明

1954 年，第一臺氨分子 Maser 建成，首次實現了粒子數反轉，其主要作用是放大無線電信號，以便研究宇宙背景輻射。美國湯斯、前蘇聯巴素夫和普羅克霉洛夫發明氮分子微波報蕩器，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應用的可能性。湯斯由于在受激輻射放大方面的成就獲得 1964 年諾貝爾物理學獎。

1958 年：激光時代的開啟

1958 年，美國科學家肖洛和湯斯發現了一種神奇的現象：當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了 ' 激光原理 '，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵時，都會產生這種不發散的強光 -- 激光。湯新和貝爾實驗室的肖洛在《物理評論》上發表《紅外和光學激射器》 ( 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，給出了實現光受激輻射放大需要滿足的必要條件，這篇文章標志著激光時代的開端，也標志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺。

1960 年：世界上第一臺激光器的誕生

1960 年 5 月 16 日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學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第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。同年休斯實驗室的紅寶石激光器發出了 694.3nm 的紅色激光，這是公認的世界上第一臺激光器。

20 世紀 60 年代：不同類型的激光器陸續誕生

1960 年年中，IBM 實驗室利用 CaF2 中的三價鈾制成了第一臺四能級固體激光器 ;1960 年 12 月，BELL 實驗室的 Javan，Bennett 和 Herriott 制成了第一臺氦氖氣體激光器 ;1962 年，GaAs 半導體激光器誕生 ;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 70 年代：激光器開始于生產生活當中

1971 年，激光用于舞臺光影效果和激光全息影像 ;1974 年超市條形碼出現 ;1975 年 IBM 商用激光打印機誕生 ;1978 年，飛利浦制造第一臺激光盤 ( LD ) 播放器。

20 世紀 80 年代：激光技術升級到全球范圍內應用

1983 年，里根 ' 星球大戰 ' 演講，描繪了基于太空的激光武器。在 1980 年代后期，半導體技術使得更高效而耐用的半導體激光二極管成為可能，這些在小功率的 CD 和 DVD 光驅和光纖數據線中得到使用。1988 年，北美和歐洲間架設了第一根光纖，用脈沖來傳輸數據。

20 世紀 90 年代：激光在制造業中發揮越來越重要的作用

1990 年，激光用于制造業，包括集成電路和汽車制造 ;1991 年，激光第一次被用作治療近視，海灣戰爭中第一次用激光制造導彈。1996 年，東芝推出數字多用途光盤播放器 ( DVD ) 。在 1990 年代，高功率的激光激發原理得到實現，比如片狀激光和纖維激光。后者由于新的加工技術和 20kW 的高功率不斷地被應用到材料加工領域中，從而部分的替代了 CO2 激光和 Nd:YAG- 激光。

2000 年代至今：激光產業鏈已逐步完善

2000 年代，激光的非線性得到利用，來制造 X 射線脈沖 ( 來跟蹤原子內部的過程 ) ; 另一方面，藍光和紫外線激光二極管已經開始進入市場。美國擁有激光企業上千家，形成了完整的產業鏈，在激光光學、軟件、加工解決方案、激光儀器等都有成熟的發展。目前主要企業包括 Coherent、IPG、Newport、nLight、Novanta、ESI、II-VI、Aerotech、Synrad、PRC、Iradion、AccessLaser、Thorlabs 等。直至 2014 年，美國仍然是全球第二大激光產業與市場區域，后被我國超越。

中國激光產業基礎發展階段

20 世紀 50 年代：中國第一所光學專業研究所成立

1957 年，王大珩等在長春建立了中國第一所光學專業研究所——中國科學院 ( 長春 ) 光學精密儀器機械研究所。標志著我國進入了激光研制階段。

20 世紀 60 年代：中國激光研制進入了快速發展階段

1961 年夏，在王之江主持下，中國第一臺紅寶石激光器于長春光機所研制成功，僅在美國貝爾實驗室一年之后。1964 年，錢學森院士提議取名為 ' 激光 '，既反映了 ' 受激輻射 ' 的科學內涵，又表明它是一種強烈的新能源。20 世紀 60 年代初，陳定昌被任命為 ' 激光雷達項目 ' 項目組長，該項目建成了世界上第一部激光雷達樣機，用詳實準確的實驗數據，突破了 ' 四個科學原理 ' 的限制，發展了中國第一部全反射式激光雷達，比美國林肯實驗室領先多年。1964 年，中國第一所，也是當時世界上第一所激光技術的專業研究所——中國科學院上海光學精密機械研究所成立。1964 年，'6403' 高能釹玻璃激光系統啟動。1965 年，開始研究高功率激光系統和核聚變。1966 年，制定研制 15 種軍用激光整機等重點項目。盡管早在 60 年代已在加工、醫療器械和測距等方面出現了激光產業的雛形，然而當時只是零星的、分散的小量研制性生產，未能形成氣候。

20 世紀 70 年代：中國激光工業出現短暫的停滯

改革開放前，激光產業的研究出現了短暫的停滯。直到 1976 年，由中科院長春光機所、長春第一汽車制造廠轎車分廠等單位合作研制的 CO2 激光切割機成功的應用于 ' 紅旗 ' 牌轎車覆蓋件的切割上。同年，武漢的趙梓森院士團隊拉制出具有中國自主知識產權的第一根實用光纖。1978 年，中科院長春光機所采用研制的 500WCO2 激光器對工業上用的數種金屬材料較為系統的激光熱處理研究實驗。在 1978 年改革開放以后，激光產業在中國真正得到重視并實質性起步。

20 世紀 80 年代：中國激光工業開始恢復工業生產

1980 年，長春召開 ' 全國電子束與激光束熱處理學術交流會 ' 第一次全國性專業會議，' 高密度熱處理技術委員會及 '' 激光加工專業技術委員會成立 '。1982 年，激光加工列為 ' 七五 '' 十二五 ' 國家科技重點攻關內容。1983 年，' 全國熱處理學術交流會與攻關方案論證會 ' 在武漢召開，包括激光器及激光熱處理工藝等若干項目通過方案論證，正式列入國家 ' 六五 ' 科技攻關課題。1987 年，中國科學院上海光機所研制的神光裝置，在核工業部第九研究院合作下，經試運轉一年半后通過國家級鑒定。1988 年武漢成立了東湖新技術開發區，又稱中國光谷。光谷的光電子信息產業已成為代表中國在這一領域參與全球競爭的知名品牌。在上海，很多前沿產業應用大展拳腳，如汽車行業的激光熱成型切割就是非常典型的案例。

20 世紀 90 年代：中國激光企業進入資本化階段

1994，我國第一臺激光陀螺工程化樣機在國防科技大學誕生，我國成為世界上第四個能夠獨立研制 ' 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，成為華中地區第一家以激光為主業的上市公司。

21 世紀初：我國激光產業達到國際領先水平

2003 年 9 月，在 '863' 計劃和中科院創新工程的支持下，中科院 5 個院所聯合攻關，在國內率先實現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并通過了相關部門鑒定，鑒定結論為總體與國際同步，色域覆蓋率國際領先。2004 年，烽火通信繼推出激光輸出功率達 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，達到國際領先水平，是我國在高功率激光器用光纖領域的重大突破。

' 十一五 ' 期間：激光技術成為中國長期發展計劃

2006 年，激光技術列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要 ( 2006-2020 年 ) 》，成為中國未來 15 年重點發展的八項前言技術之一。2007 年，武漢銳科激光成立，通過技術研發打破了光纖激光器領域技術依賴與價格壟斷，填補了國內空白，迫使同類進口產品價格下降 50%。2011 年，《當前優先發展的高技術產業化重點領域指南 ( 2011 ) 》將激光加工技術及設備列為當前應優先發展的 21 項先進制造高技術產業化重點領域之一。

' 十二五 ' 期間：我國激光技術已經趕超歐美

2012 年，《' 十二五 ' 國家戰略性新興產業發展規劃》提出加快推進激光顯示等新一代技術研發和產業化。

2012 年，華工科技與武漢銳科激光共同研制出 4kW 光纖激光器，成為全球第三個掌握此項技術的光纖激光器企業。2014 年，國防科技大學激光陀螺技術創新團隊構建了具有獨立知識產權的高水平激光陀螺全閉環研發體系，研發與應用水平達到了國際先進、國內領先水平。2015 年，中科院上海光機所研制的 10PW ( 千萬億瓦，拍瓦 ) 級超強超短激光裝置，實現了 1PW 激光脈沖輸出。

2016 年，中國首次實現了 ' 高功率光纖激光器 ' 核心器件全國產化目標，汽車制造中的高質高效激光焊接、切割關鍵工藝及成套裝備 ' 項目，打破了 40 多年的國外壟斷。12 月，上海超強超短激光裝置 ( SULF ) 項目在上海浦東張江開工，目標是建成世界首套 10PW 超強超短激光裝置。2016 年 8 月，在國際上首次實現了 200J 以上能量水平的寬帶激光放大輸出，驗證了時域雙脈沖泵浦技術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入試運行狀態，用戶平臺已搭建完成并開展測試實驗，正逐步驗證驗收指標。

' 十三五 ' 期間：我國激光產業不斷取得關鍵性突破

2017 年，《' 十三五 ' 先進制造技術領域科技創新專項規劃》提出開展激光器標準建設，實現高性能激光器及核心關鍵部件的國產化與產業化。2019 年 7 月，南京理工大學朱日宏、沈華教授承擔的 2017 年國家重點研發計劃項目 ' 工業級大功率光纖激光器關鍵技術及產業化 ' ( 項目編號：2017YFB1104400 ) 中的子課題 '3 萬瓦級光纖激光器用光閘的研制 ' 所研制的萬瓦級光閘樣機在武漢銳科光纖激光技術股份有限公司通過了樣機的性能測試。2019 年 12 月，科技部科技評估中心在北京組織召開國家重大科學儀器設備開發專項 ' 高端全息光柵研發 ' 項目綜合驗收會，項目順利通過驗收。2020 年，中山大學蔡鑫倫教授團隊與國家信息光電子創新中心肖希博士團隊合作，在超高速電光調制器芯片的研究中取得了突破性進展，實現了世界首例可用于數字相干光通信的高性能鈮酸鋰薄膜電光調制器芯片。

' 十四五 ' 期間：我國激光產業成為工業發展的增長引擎

2021 年，《基礎電子元器件產業發展行動計劃 ( 2021-2023 年 ) 》提出重點發展高速高精度光探測器、高速直調和外調制激光器、高功率激光器。2021 年 6 月 21 日，我國首臺 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首批實驗數據，首次獲得飛秒尺度的 ' 水窗 ' 波段 X 光照片，成為國際上僅有的兩個實現 ' 水窗 ' 波段相干衍射成像實驗的自由電子激光裝置之一。如今在武漢、上海、深圳等地激光技術的研發及應用已和國際領先水平接軌。而這幾年在溫州、鞍山等地也陸續建成了激光產業集群。

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激光產業發展簡史

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