激光技术(现代激光技术)

浪起激光11个月前44525

在人工智能时代,激光是一种必不可少的工具

我国激光技术和产业已经迈入国际领先行列,在关键材料、元件、技术、整机及专利等方面已具备自主可控发展产业的条件

我国成为世界上唯一一个能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。这批仪器设备直到今日仍然对国外“禁运”

中青年科学家不要都变成科研“富二代”,要争当战略科学家。这有两层含义,一方面,在这个领域我们已经有了一定的“家底”;另一方面,这个“家”未来的发展不能“守成”。中青年科学家不能满足于躺在前人的“功劳簿”上

文 |《瞭望》新闻周刊记者 姚友明

激光技术被认为是人类在智能化社会生存和发展的必不可少的工具之一。例如在无人驾驶中,车载激光雷达就可以代替人的眼睛,为车辆提供其周边车况的变化情况。

当前,主要科技大国都高度重视激光技术的科研与应用,美、日、欧盟等国家和地区相继启动激光技术相关研究计划。我国也十分重视激光技术的研发与应用,在国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项拟立项的2018年度项目公示清单中,不乏像高效精密激光增材制造-电解加工整体制造技术和飞秒激光精密制造应用基础研究这些具有前瞻性、战略性意义的项目。

“在激光研究和应用领域,我国总体上处于国际先进水平,某些方面是国际领先水平。”中国工程院院士、中国科技大学光学与光学工程系主任许祖彦介绍。

许祖彦是我国激光物理和激光技术领域的领军人物之一,他带领团队取得一系列开创性成果:发现光学参量效应相位匹配折返现象的普遍性,发明多波长光参量激光器;带领团队首次研制成功实用化深紫外全固态激光器;率先在国内研制成功激光全色投影显示,提出激光显示产业顶层设计和发展路线图,率领团队研制成功首台三基色LD激光电视;率先在国内开展高光束质量全固态激光研究等。

近日,许祖彦接受《瞭望》新闻周刊专访,讲述他在我国激光技术研究和应用领域的思考。

激光是人工智能时代必不可少的工具

《瞭望》:什么是固体激光?它在我们日常生活中有哪些应用?

许祖彦:激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦。1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫“受激辐射的光放大”,简称激光。

液体、气体和固体都能产生激光。气体有氩气、二氧化碳,液体中的有机染料等。所谓固体激光,就是在固体内,比如在激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃这些东西上产生的激光。固体激光不像气体激光,它不流动、体积小、功能效率高。现在,固体激光的波长是可以改变的,即是可以调谐的。

现在我们正在进入人工智能时代,在这个时代,激光是一种必不可少的工具,或者说是手段。比如扫地机器人,如果装上激光雷达,就能在避障和智能化方面拥有更好的表现,能够在最短时间内高效率地完成整个房屋的清洁工作。

《瞭望》:你曾说激光显示将成为下一代显示产品的主流,为什么这么说?

许祖彦:自主可控地打造新一代显示产品、产业,圆中国人看中国电视的“中国梦”,是我的奋斗目标之一。

人类获取信息80%靠视觉。显示是人机交互界面的终端,是通过人眼直接观看的,具备信息传播、观赏娱乐等功能。显示处于信息产业链的终端,市场巨大。现在全球产业规模每年在3500亿美元左右,我国的产业规模也超过了每年4000亿元人民币。显示产业是大国必争之地。

上世纪30年代,世界上出现了黑白显示技术,到上世纪50年代,产生了彩色显示技术,再到20世纪末,数字显示技术的出现,解决了显示产品的清晰问题。但之前这些技术,都是国外率先实现原理可行的,中国人想看中国电视的“中国梦”,一直没能实现。

激光显示技术虽然早在20世纪60年代就被提出,但直到21世纪初才在我国率先实现了原理可行。其原理是以红、绿、蓝三基色激光为光源,通过调控三色激光强度比、总强度和强度时空分布进行显示。激光显示技术解决的是图像高保真再现问题。激光谱宽窄、方向性好、功率高,能够精准控制在人眼最佳视觉感知区,易实现8K高分辨高对比度,这些特点是其他所有显示光源无法同时具备的;激光显示还有一个优势就是观看舒适度高、护眼,因为它是漫反射成像、全像素发光、无短波蓝光。根据中国电子技术标准化研究院的报告,激光显示技术具有良好的舒适度,低视觉疲劳,并且没有短波蓝光的伤害。

近20年来,激光显示在我国经历了从原理可行、技术可行到产业可行的三个发展阶段。特别是2015年,杭州中科极光科技有限公司建成国内首条三基色LD激光显示生产示范线,2017年推出世界首台三基色LD激光电视产品。到2019年,我国激光显示企业已有27家,年产值超过150亿元。我国激光技术和产业已经迈入国际领先行列,在关键材料、元件、技术、整机及专利等方面已具备自主可控发展产业的条件。从技术到产业,应该说我们在这个领域已经达到了国际领先水平,我们已经有能力结束进口显示产线的历史,圆中国人看中国电视的“中国梦”。

2018年底,我们团队完成了中宣部委托、工信部下达的“中国新型显示产业发展研究”国家智库重大战略咨询课题。我们建议:以激光显示产业为主要发展方向,百花齐放,开发诸如电子纸显示在电子书等领域、发光二极管(LED)显示技术在室内外大屏幕显示方面的特色市场。

激光技术(现代激光技术)

在第十七届中国(天津)国际装备制造业博览会上,激光切割机进行金属切割作业演示(6月3日摄) 孙凡越摄/本刊

激光技术是我国重要的战略支撑技术

《瞭望》:为什么说激光技术是我国重要的战略支撑技术?

许祖彦:凡是我国有战略需求而又买不来的技术,就是战略支撑技术。

激光在国家经济社会发展中有很多应用。用固体激光,能够实现制造业的跨越式发展。例如去年新冠肺炎疫情期间,西安有一家公司凭借其在超快激光精密制孔方向上多年的技术积累,突破了我国企业在生产防护口罩熔喷布材料时存在的喷丝板技术瓶颈。该技术投入市场后,有效提升了喷丝孔的加工质量,进而为熔喷布实现国产加工迈进一大步。

激光技术作为我国的重要战略支撑技术之一,支撑作用主要体现在两个方面:一是支撑科研前沿,二是支撑国家高新技术产业。

在支撑科研前沿方面,2013年,我参与的国家重大科研装备研制项目“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”通过验收,这个系列科研装备的研制成功,使我国成为世界上唯一一个能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。这些仪器设备的研制成功及利用这些设备在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽禁带半导体和催化剂等研究中获得的重要成果,使我国深紫外领域的科学研究水平处于国际领先地位,并在物理、化学、材料、信息等领域开创了一些新的多学科交叉前沿。这些成果受到了海外学者的高度评价,这批仪器设备直到今日仍然对国外“禁运”。

在高新技术方面,我举两个案例。一个是中科院院士顾瑛的例子,她用激光治疗常规血管病,创造了“顾式疗法”,这种疗法的原理是用激光穿透人的表层皮肤,给出血的内脏止血,挽救病人生命而不对病人皮肤造成伤害,这一疗法在国际上也获得推广;还有一个是中科院半导体研究所的林学春研究员的例子,他开发了激光清洗汽车轮胎模具国产化成套方法,制造的相关设备不仅环保、安全高效,而且降低了我国此前对德国进口类似产品的依赖。

《瞭望》:如何评价我国激光技术发展的国际地位?

许祖彦:在激光研究和应用领域,我国总体上处于国际先进水平,某些方面是国际领先水平。比如刚才提到的“顾式疗法”以及“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”,都是国际领先水平。再比如林学春研究员的激光清洗汽车轮胎模具国产化成套方法,这个属于国际先进水平。

我国激光技术应用方面在许多方向上都有突破和发展。激光通讯方面,做得比较好的是中国工程院的余少华院士。他长期从事光纤通信与网络技术研究,主持完成国家973和863等十余个项目,均实现成果转化和大量应用,是我国电信传输网SDH(同步数字体系)与互联网(含以太网)两网融合的开拓者之一。

在一些精密仪器制造行业,激光导航也是未来产业应用的一个重要方向。有了先进的激光导航技术,机器人工人就可以在工厂里高效率地工作。

“追光”成为一种潮流

《瞭望》:今年6月,陕西省推出“追光计划”,希望聚焦先进激光与光子制造、光子材料与芯片、光子传感三大重点领域,发展光子技术原始创新及产业高地。你如何看待这一发展方向?

许祖彦:光子产业是21世纪最具战略性、基础性、先导性的新兴产业之一。随着世界集成电路产业的发展,光子取代电子成为趋势。光子产业将是未来整个信息产业的基石,也将迎来暴发式增长。

“追光”在全球早已成为科学界的一种潮流:2013年,美国国家科学研究委员会发布《光学与光子学:美国不可或缺的关键技术》,为光子科技的发展和应用提供了前瞻性的指引和支持;2014年,欧盟启动实施“地平线2020”计划,将光子技术作为决定欧盟工业生存和未来竞争力的六大关键要素之一,投入巨资建设。我国也在这个领域不甘落后。今年,信息光子技术被列为“十四五”国家重点研发计划重点专项。

西安有丰富的科教资源和科技人才优势,中科院西安光学精密机械研究所的条纹相机,以及用激光方案为我国航天器提供登月下降控制方案,都给我留下过非常深刻的印象。西安光机所现在光电全面发展,这是一个科学的发展理念,而且还有相对成熟且高效的科研成果转化模式,这是发展优势。总体来看,陕西省不论是技术优势还是政策支持,对于光子产业发展都是非常好的条件。

《瞭望》:你对年轻科研人员成长有何建议?

许祖彦:我国在激光技术研究和应用领域缺乏高端人才。希望中青年科学家不要都变成科研“富二代”,要争当战略科学家。这有两层含义,一方面,在这个领域我们已经有了一定的“家底”;另一方面,这个“家”未来的发展不能“守成”。中青年科学家不能满足于躺在前人的“功劳簿”上。

虽然目前我国研发人员总量已经稳居世界首位,但关键岗位的核心人才依然短缺,大学的人才培养与社会的发展需求有一定程度的脱节。目前,我国急需一批在国际上具有学术引领能力和产业发展带动能力的领军型科技人才。

与此同时,我国现行的科研人才培养体制还需要进一步优化,比如把一些好的科研苗子送出去培养。

在科研人员待遇方面,我们要在弘扬艰苦奋斗精神的同时,根据社会发展调整科研人员薪酬分配的体制机制,及时跟上社会发展趋势。

此外,对于有潜力成为战略科学家的年轻人,国家应该考虑给予其适合的培养渠道和重点培养方案。■

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