今年是激光發(fā)明60周年，激光技術(shù)自問世以來，給我們的生活和生產(chǎn)帶來了天翻地覆的變化。為了促進(jìn)激光技術(shù)的應(yīng)用和普及，中國(guó)工程院于2018年啟動(dòng)了“我國(guó)激光技術(shù)與應(yīng)用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目，本文是項(xiàng)目研究綜合報(bào)告。文章簡(jiǎn)要分析了激光技術(shù)及在科研與產(chǎn)業(yè)中的工具性、引領(lǐng)性和顛覆性作用，提出了我國(guó)激光技術(shù)及應(yīng)用2035年發(fā)展目標(biāo)設(shè)想及政策措施建議。

 

一、前言

 

 

激光是與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的20世紀(jì)四大重大科技發(fā)明，激光具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好的特點(diǎn)，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。激光與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與融合，形成了激光制造、激光通信、激光檢測(cè)、激光醫(yī)療等交叉技術(shù)學(xué)科，為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界提供了一大批新工具，孕育和發(fā)展出多種類型的激光產(chǎn)業(yè)和系列裝備，改變和重構(gòu)了高端制造、信息通信、醫(yī)療診斷治療和國(guó)防安防等多個(gè)領(lǐng)域。隨著新型激光器和激光新應(yīng)用的持續(xù)涌現(xiàn)，激光技術(shù)的作用將更為突出，將在創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)和提升國(guó)際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力中發(fā)揮重要作用。

中國(guó)工程院組織開展了“我國(guó)激光技術(shù)與應(yīng)用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點(diǎn)咨詢研究項(xiàng)目。重點(diǎn)提出了2035年前我國(guó)的發(fā)展目標(biāo)、攻關(guān)重點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)政策需求。

圖1 激光技術(shù)

“ 光是我們社會(huì)日常生活不可或缺的元素，科學(xué)對(duì)光這一自然現(xiàn)象的理解和運(yùn)用惠及全人類。光是首要的，正因?yàn)橛辛斯猓澜绮拍艹尸F(xiàn)在我們眼前。正因?yàn)楣庵陵P(guān)重要，對(duì)光的關(guān)懷深深植入所有文明之中。”

——節(jié)選自聯(lián)合國(guó)教科文組織總干事 阿祖萊2020年國(guó)際光日致辭?。∩系壅f，要有光，于是，就有了光！（《圣經(jīng)》舊約·創(chuàng)世紀(jì)篇）

梅曼說，我有激光！上帝說，請(qǐng)把它贈(zèng)與人類！梅曼說，當(dāng)然！人類說，謝謝！

注：作為自然科學(xué)工作者，我們不應(yīng)該開口就言上帝，不過對(duì)于上帝的批判思考是可以的。作為人類的一員，我越來越感到，其實(shí)我們口稱的上帝，即是人類整體的代稱，也就是說我們把上帝替換為人類，以上對(duì)話仍然成立，或是說上帝是人類找來為人類代言的代言人。

 

 

二、激光技術(shù)及應(yīng)用的作用與地位

 

 

（一）前沿激光技術(shù)是基礎(chǔ)物理研究和多領(lǐng)域前沿科技攻關(guān)的重要工具

研究前沿激光技術(shù)，獲取更高的頻域特性（超短波、超長(zhǎng)波、可調(diào)諧、單頻、寬光譜等）、時(shí)域特性（超快、超強(qiáng)峰值等）和能量域特性（高亮度、大功率、高能等），始終是世界前沿科研的重要組成部分。

高性能激光可在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出極端條件，使得高性能前沿激光成為基礎(chǔ)物理研究的重要工具。

高性能激光創(chuàng)造的頻域特性、時(shí)域特性和能量域特性條件或參數(shù)，使激光成為新材料、能源、生物等科技前沿研究必不可少的工具。

縱觀諾貝爾獎(jiǎng)百年歷史，與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)成果多達(dá)40余項(xiàng)，約占諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的40%。其中，在1960年后，幾乎所有與光學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)或多或少都與激光有關(guān)聯(lián)。以下例舉其中較為著名的幾項(xiàng)。

1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 激光最早獲得的諾獎(jiǎng)

獲獎(jiǎng)?wù)撸翰闋査?middot;湯斯（美國(guó)）、尼古拉·根納季耶維奇·巴索夫（前蘇聯(lián)）、亞歷山大·普羅霍羅夫（前蘇聯(lián)）獲獎(jiǎng)理由：在量子電子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果，該成果發(fā)展出了基于激微波—激光原理建造的振蕩器和放大器

依據(jù)該研究成果，科學(xué)家在1954年制造出了激光器的前身——微波激射器。此后，基于微波器的開放式諧振腔構(gòu)型，科學(xué)家在1960年研制出了激光器。

1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 構(gòu)建三維逼真立體圖

獲獎(jiǎng)?wù)撸嘿げ?middot;丹尼斯（英國(guó)）獲獎(jiǎng)理由：發(fā)明并發(fā)展全息照相法

由于激光器的問世，光源的相干性和亮度有了顯著提高，全息技術(shù)得到迅猛發(fā)展。全息技術(shù)的原理是利用光的干涉和衍射，將物體信息以干涉圖的方式存儲(chǔ)下來，通過圖像反演，恢復(fù)出原物體的三維逼真立體圖。該技術(shù)大量運(yùn)用在科幻電影中，如《阿凡達(dá)》中的全息沙盤展示、《鋼鐵俠》中的懸空投影等。如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展已催生出全息投影技術(shù)。例如，微軟基于計(jì)算全息技術(shù)于2015年開發(fā)出了Hololens，可以生成只有佩戴者能夠看見的虛擬3D圖像。

1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 靈敏探測(cè)的激光光譜儀

獲獎(jiǎng)?wù)撸耗峁爬?middot;布隆伯根（美國(guó)）、阿瑟·肖洛（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由：對(duì)開發(fā)激光光譜儀的貢獻(xiàn)

激光器問世后，非線性介質(zhì)和激光光譜的研究成為了熱點(diǎn)，布隆伯根發(fā)明的基于非線性光學(xué)原理的光倍頻、脈沖壓縮展寬、電光調(diào)制等技術(shù)和器件，在強(qiáng)激光領(lǐng)域、激光通訊領(lǐng)域都不可或缺。

1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 冷凍原子捕捉“第五態(tài)”

獲獎(jiǎng)?wù)撸褐扉ξ模绹?guó)）、克洛德·科昂-唐努德日（法國(guó)）、威廉·菲利普斯（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由：發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法

激光冷卻技術(shù)是通過激光光子與運(yùn)動(dòng)的原子碰撞，從而使得原子減速，獲得超低溫原子。利用該技術(shù)，科學(xué)家首次觀測(cè)到了物質(zhì)的第五態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 飛秒級(jí)拍攝分子變化過程

獲獎(jiǎng)?wù)撸喊~德·澤維爾（埃及、美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由：運(yùn)用激光技術(shù)，使通過化學(xué)反應(yīng)觀測(cè)原子在分子中的運(yùn)動(dòng)成為可能澤維爾被譽(yù)為“飛秒化學(xué)之父”，他應(yīng)用飛秒激光技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)中觀測(cè)，這也是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第一次頒發(fā)給激光領(lǐng)域。由于飛秒超短脈沖激光的出現(xiàn)，可觀測(cè)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度縮減至飛秒量級(jí)。澤維爾利用該技術(shù)測(cè)得了環(huán)丁烷裂解實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過度壽命為700飛秒，并在NaI的光解反應(yīng)中首次觀察到化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的變化過程。

2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 光纖帶來通訊劃時(shí)代變革

獲獎(jiǎng)?wù)撸焊哏ㄓ?guó)、美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由：在光學(xué)通信領(lǐng)域，光在纖維傳輸方面的突破性成就

基于高琨的理論和激光器，上世紀(jì)70年代以來，康寧公司發(fā)展出可用于通訊的光纖，已成為目前主流的高速、大容量有線通信方式。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) “千倍放大”和“激光鑷子”

獲獎(jiǎng)?wù)撸簛喩?middot;阿什金（美國(guó)）、杰哈·莫羅（法國(guó)）、唐娜·斯特里克蘭（加拿大）獲獎(jiǎng)理由：在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明：“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用”“產(chǎn)生高強(qiáng)度超短光學(xué)脈沖的方法”

（二）激光技術(shù)在塑造現(xiàn)代制造、信息、醫(yī)療和國(guó)防等產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用

激光制造應(yīng)用是激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的主要方向，包括去除與連接、表面工程、增材制造、修復(fù)與再制造和微納制造等5類，產(chǎn)值規(guī)模占激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的30%以上。激光制造具有易于操作、非接觸、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，是切割、焊接、表面處理、高性能復(fù)雜構(gòu)件制造和精密制造的主流手段，被譽(yù)為“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”，引領(lǐng)了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)智能化進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。根據(jù)美國(guó)科學(xué)和技術(shù)政策辦公室2010年分析和統(tǒng)計(jì)，美國(guó)當(dāng)年GDP的50%，約7.50萬億美元的產(chǎn)值。這是美國(guó)2010年的數(shù)據(jù)，如今已經(jīng)是2020年，由此可見激光應(yīng)用和發(fā)展的空間無比廣闊。

以激光再制造為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)從事激光再制造的民用企業(yè)大約40-50家，規(guī)模大的只有數(shù)億元，而小的則在千萬元以下。全年我國(guó)激光再制造的產(chǎn)值超過25億元，服務(wù)修復(fù)各個(gè)產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)品價(jià)值數(shù)百億元，為我國(guó)減少了許多重要行業(yè)的損失。但這數(shù)字同我國(guó)是世界上最大的制造工廠的地位非常不相稱。作為全球最大的再制造產(chǎn)業(yè)國(guó)家美國(guó)，其再制造規(guī)模超過1000億美元，再制造企業(yè)7.5萬家，從事人員50多萬人（2017年的數(shù)據(jù)）。從產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模來看，假設(shè)我國(guó)的再制造產(chǎn)業(yè)占GDP比重達(dá)到0.2%，則2015年我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值規(guī)模將超過1272.93億元，2016年將達(dá)到1447億元。由此可見我國(guó)的發(fā)展空間有多大。

激光技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的支撐技術(shù)。光纖通信是高速互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)；無線光通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海量信息遠(yuǎn)距離快速傳輸?shù)奈ㄒ环绞?，也是巨型?jì)算機(jī)、大型超算中心、第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）基站和5G數(shù)據(jù)中心等內(nèi)部及相互之間高速海量數(shù)據(jù)傳輸交換的主要方式；光存儲(chǔ)是海量大數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)的主要方式；高清晰激光顯示技術(shù)將引發(fā)“人類視覺史上的一場(chǎng)革命”。“閱盡千帆、還是激光顯示最美”。此外，激光技術(shù)還是高精度測(cè)量傳感、無人駕駛和量子通信的重要基礎(chǔ)。

激光技術(shù)已是醫(yī)療和診斷領(lǐng)域中不可替代的一類技術(shù)手段。

在國(guó)防領(lǐng)域，激光已應(yīng)用于測(cè)距、成像、指向、制導(dǎo)、通信及對(duì)抗等，改善了武器裝備性能，如提高命中率和可靠性，而且某種意義上也改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的面貌。近年來，直接利用激光能量殺傷目標(biāo)的高能激光武器已接近成熟，將逐步進(jìn)入多種應(yīng)用裝備的研制和列裝階段。受小型無人機(jī)應(yīng)用快速拓展的影響，低空防御型激光系統(tǒng)因作為和平時(shí)期重要地點(diǎn)、重大活動(dòng)安防不可或缺的手段而得到快速發(fā)展。

（三）加速發(fā)展激光技術(shù)及應(yīng)用可有力推動(dòng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用和持續(xù)拓展，顯示這是一項(xiàng)極其重要的核心關(guān)鍵技術(shù)、基礎(chǔ)性技術(shù)和引領(lǐng)性技術(shù)，有力推動(dòng)和引領(lǐng)著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)。

第一，激光技術(shù)是一項(xiàng)重要的工具性技術(shù)，其應(yīng)用可以加速改變相關(guān)行業(yè)面貌，激光在制造行業(yè)、信息通信和醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用及擴(kuò)展就說明了這一點(diǎn)。

第二，激光技術(shù)是一項(xiàng)極強(qiáng)的滲透性的基礎(chǔ)性技術(shù)。激光產(chǎn)品所支撐的經(jīng)濟(jì)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本身的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2010年美國(guó)科技政策辦公室的一份研究報(bào)告指出，2009—2010年美國(guó)的電信、電子商務(wù)及信息技術(shù)總價(jià)值為4萬億美元，其中激光器自身的價(jià)值僅為32億美元（半導(dǎo)體和光纖激光器）。換個(gè)角度，激光技術(shù)產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)體系中的重要性遠(yuǎn)超產(chǎn)品本身的價(jià)值規(guī)模。

第三，激光技術(shù)孕育孵化新應(yīng)用的能力很強(qiáng)，能夠不斷與其他技術(shù)融合創(chuàng)造新應(yīng)用和新產(chǎn)業(yè)，具有突出的產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)性特征。5G基站建設(shè)已成為熱門的投資方向，今年，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)鐵塔相繼公布了2020年的5G投資計(jì)劃，合計(jì)投資總額約2000億元。據(jù)中國(guó)信息通信研究院預(yù)測(cè)，到2025年5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資累計(jì)將達(dá)到1.2萬億元，并將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游以及各行業(yè)應(yīng)用投資超過3.5萬億元。另外，激光顯示技術(shù)的成熟即將催生萬億級(jí)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)電視年生產(chǎn)量達(dá)到1.7億臺(tái)，產(chǎn)值超過6000億元，電視產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超萬億，并且早已成為全球最大的彩電制造中心和最大的消費(fèi)市場(chǎng)。

5G來臨，激光讓理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)！

這就是第五代移動(dòng)無線通信技術(shù)為什么如此引人注目的原因。每個(gè)人心中的5G 卻又如此的不同：

對(duì)于普通人來說，5G 是更快的網(wǎng)速；對(duì)于通信設(shè)計(jì)者來說， 5G 是新的編碼，新的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于天線工程師來說， 是更高的頻率，更多的天線；對(duì)于戰(zhàn)略家來說， 5G 是我們對(duì)于兩大定理接近極限的應(yīng)用。未來前途茫茫，這是進(jìn)入迷途的困惑。我們需要新的理論解決大流量、低時(shí)延的問題。

我們就需要更高的加工精度、更高性能的材料、更密集的電路以及更新的加工手段。激光，當(dāng)然是激光，作為20世紀(jì)另一個(gè)重要發(fā)明，更短波長(zhǎng)、短脈沖的激光帶來了更高的精度，飛秒激光的加工精度已經(jīng)進(jìn)入了個(gè)位微米等級(jí)。其實(shí)，對(duì)于移動(dòng)通信以及高頻產(chǎn)業(yè)，短脈沖激光早已在很多場(chǎng)景中有了成功的應(yīng)用，這些應(yīng)用在5G時(shí)代的應(yīng)用不僅會(huì)得到延續(xù)，更有著巨大的想象和發(fā)展空間，且讓我們拭目以待。

 

 

 

三、我國(guó)激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀分析

 

 

（一）我國(guó)激光技術(shù)科研主要力量集中在科研院所和高等學(xué)校，企業(yè)相對(duì)較弱科研院所和高校是我國(guó)激光器系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)研究的主要力量

高校和科研院所承擔(dān)了大部分國(guó)家計(jì)劃的激光科研攻關(guān)項(xiàng)目，企業(yè)占比很小。在激光制造與增材制造國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，這一狀況有所改變 。

相比較而言，我國(guó)企業(yè)在開展激光科研方面力量相對(duì)較弱，獲得國(guó)家科技計(jì)劃資助也相對(duì)較少。以著名的再制造企業(yè)卡特彼勒為例，2014財(cái)年，其收入為551.84億美元，其研發(fā)費(fèi)用達(dá)到了22億美元。我國(guó)僅華為研發(fā)費(fèi)用比較高，每年超過1000億元。一方面這反映出我國(guó)企業(yè)科研實(shí)力、科研基礎(chǔ)相對(duì)較弱，無法與高校和科研院所競(jìng)爭(zhēng)；另一方面也說明目前激光領(lǐng)域資助項(xiàng)目來自產(chǎn)業(yè)前沿較少，問題較為基礎(chǔ)，風(fēng)險(xiǎn)較大，與產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)較弱，企業(yè)興趣不大。另外我們國(guó)家的激光企業(yè)同國(guó)外相干公司、通快公司以及IPG等公司的科研實(shí)力相比存在差距，同時(shí)我們?cè)谇捌诳蒲性核髽I(yè)的合作交流較少也有關(guān)系，我們目前還沒有可以類似和媲美德國(guó)弗朗和夫激光技術(shù)研究所這樣的機(jī)構(gòu)也有關(guān)系。這一方面在近年來正在逐步改善。

（二）我國(guó)激光科研領(lǐng)域覆蓋面廣，總體技術(shù)水平還不夠高

在前沿科研方向領(lǐng)域中，新型半導(dǎo)體激光器、超快超強(qiáng)激光器、深/極紫外激光器、高能固體激光器和自由電子激光器領(lǐng)域是主要方向，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，在反映激光本質(zhì)的頻域特性（超短波、超長(zhǎng)波、可調(diào)諧、單頻、寬光譜等）、時(shí)域特性（超快、超強(qiáng)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，有著重要的應(yīng)用需求，且目前的性能距離應(yīng)用需求尚有一定差距；第三，預(yù)示著激光技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)和方向（往往包含著新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理、新體制的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明）。前沿激光技術(shù)是關(guān)系到占領(lǐng)未來科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)際上各國(guó)激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)科技計(jì)劃對(duì)上述前沿激光技術(shù)方向都有一定的規(guī)劃布局和支持，總體上說，大部分研究方向與世界先進(jìn)方向有一定差距。

在智能制造領(lǐng)域，我國(guó)激光制造已成為過去十年先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)展最快的方向之一，但大部分技術(shù)還處于跟蹤國(guó)外先進(jìn)水平的階段。

在信息領(lǐng)域，與我國(guó)移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)的領(lǐng)先發(fā)展同步，我國(guó)光纖通信的科研和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)等達(dá)到世界先進(jìn)水平。

在醫(yī)療領(lǐng)域，近年來激光醫(yī)療的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新迅速增長(zhǎng)。

在國(guó)防領(lǐng)域，經(jīng)過幾十年的艱苦努力，我國(guó)激光武器技術(shù)總體上與國(guó)際先進(jìn)水平接近。

（三）我國(guó)激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力快速提升，但高端、原創(chuàng)產(chǎn)品仍不多

我國(guó)已經(jīng)形成華中、華南、華東和環(huán)渤海四大激光產(chǎn)業(yè)帶。2019年僅激光工業(yè)設(shè)備產(chǎn)值超過1000億元，不含光通信、光顯示等行業(yè)。形成了武漢中國(guó)光谷、深圳和蘇州三個(gè)激光發(fā)展比較集聚的城市，濟(jì)南、天津、滄州 也發(fā)展迅速。成都、西安也在積極的發(fā)展當(dāng)中。

經(jīng)過多年的努力，我國(guó)激光企業(yè)在中低端激光產(chǎn)業(yè)上已站穩(wěn)腳跟，但在高端技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)和高端核心部件上與世界先進(jìn)水平仍有較大差距；在產(chǎn)品上，跟隨型產(chǎn)品居多，我國(guó)原創(chuàng)或首創(chuàng)性的產(chǎn)品相對(duì)較少。