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回顾60岁的激光,向1000亿规模迈进

1960年5月15日(北京时间5月16日),在美国休斯研究实验室,梅曼成功制成了世界上第一台可操作的波长为0.6943微米的红宝石激光器,至今已60年。在梅曼发明激光器60周年之际,我们将与每年一度的国际光日(International Day of Light)一同庆祝。

激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类科学史上的又一重大发明。原子能具有巨大能量和破坏力,在原子能基础上,人类建立了全球核工业,核能运用于军事、能源、工业、航天等领域;半导体是电子产业的基石,应用于汽车、能源、消费电子、航空航天、医疗等众多领域,相对原子能而言,半导体应用更为广泛;计算机它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域,已形成了规模巨大的计算机产业,带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革,计算机已遍及政府、企业、家庭、个人,成为信息社会中必不可少的工具;而激光成为先进制造技术和升级改造传统工业的重要手段,已广泛应用于材料加工、通信与光存储、医疗与美容、研发与军事、仪器与传感器、娱乐显示、增材制造等我国国民经济几乎所有领域。

由于历史原因,我国激光器应用市场整体起步较晚,二十一世纪初,国内高端激光器市场基本被国外企业垄断,导致国内生产激光器原材料成本昂贵,终端激光器、激光加工设备价格高昂,限制了激光技术在制造行业中的广泛应用。2009年前后,随着国内科研机构和企业的创新技术突破,我国激光产业获得快速发展,福晶科技、锐科激光、创鑫激光大族激光华工科技等企业快速迅速,国内激光产业已经基本形成激光材料/芯片、激光关键元器件、配套件、激光器、激光系统、应用开发、公共服务平台等全产业链发展。

随着“中国制造2025”行动纲领和“一带一路”战略的深入实施,制造业对自动化,智能化生产模式的需求日益增长,激光技术是现代高端制造前沿技术,在产业转型升级过程中将扮演重要角色,激光加工应用也从一开始的食品、纺织、电子等轻工业领域,拓展至汽车、船舶、航天、航空、高铁等重工业领域。除此以外,中国的激光市场还延伸至消费电子、通信、显示、医疗、整形美容、增材制造、数据传感器等新兴领域。受益于国家政策的大力支持和市场旺盛需求,激光产业涌现出像大族激光、华工科技、福晶科技、锐科激光、创鑫激光、杰普特等一批优秀民族企业,助力我国激光产业快速发展。2018年我国激光产业市场规模收入达到713亿元,同比增长18.05%,2019年,我国激光产业市场规模达到786亿元,再创历史新高,我国激光产业正向千亿市场规模迈进。

图1 2013-2019年我国激光产业市场规模及增长情况

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数据来源:OFweek产业研究院

下面我们将从激光技术先驱、激光企业、激光产业三个部分来回顾激光60年发展历程。

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西奥多·梅曼:

1960年5月15日(北京时间5月16日),梅曼博士在美国休斯实验室点亮第一台激光器,开启了全新的激光新纪元。

1961年:激光器开始通过Trion Instruments、Perkin-Elmer和Spectra-Physics等公司出现在商业市场上。

1961年3月:在第二届国际量子电子会议上,休斯研究实验室的RobertW.Hellwarth提出了理论研究,表明通过使红宝石激光器的脉冲更可预测和可控制,可以对红宝石激光器进行重大改进。

1961年10月:美国光学公司的EliasSnitzer实现了了钕玻璃(Nd:glass)激光器的首次运行。

1962年:Hellwarth与FredJ.McClung一起证明了他的激光理论,通过使用电开关Kerr单元百叶窗产生的峰值功率是普通红宝石激光器的100倍,巨大脉冲形成技术被称为Q开关。同年,GE、IBM和麻省理工学院的林肯实验室的研究人员同时开发了砷化镓激光器,这是一种半导体器件,可以将电能直接转换为红外光,但是即使进行脉冲操作,也必须进行低温冷却。

1962年6月:贝尔实验室报告了第一台钇铝石榴石(YAG)激光器。1962年10月,位于纽约州锡拉丘兹的GeneralElectricCo实验室的咨询科学家Nick Holonyak Jr发表了他关于“可见红色” GaAsP(磷化砷化镓)激光二极管的工作,这是一种紧凑,有效的可见相干光源,这是当今消费类产品(如DVD播放器和手机)中使用红色LED的基础。

小尼克·霍尼奥克(L.Brian Stauffer):

1963年初:《巴伦周刊》(Barron's magazine)估计商业激光市场的年销售额为100万美元。Logan E.Hargrove,Richard L.Fork和MA Pollack实现了锁模激光器的首次演示,即带有声光调制器的氦氖激光器,锁模是激光通信的基础,也是飞秒激光器的基础。同年,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的赫伯特·克鲁默和俄罗斯圣彼得堡AF艾菲物理技术学院的Rudolf Kazarinov和Zhores Alferov团队独立提出了用异质结构器件制造半导体激光器的想法,这项工作使Kroemer和Alferov赢得了2000年诺贝尔物理学奖。

1964年:在使用HeNe和氙气激光器工作了两年之后,休斯研究实验室的William B.Bridges发现了脉冲氩离子激光器,该激光器虽然体积大且效率低下,但可以在多个可见和紫外波长下产生输出。Townes,Basov和Prokhorov因“在量子电子学领域的基础性工作,从而基于maser-laser原理构造了“振荡器和放大器”而获得了诺贝尔物理学奖。同年,二氧化碳激光由贝尔实验室的Kumar Patel发明,如今已在全球范围内用作手术和工业中的切割工具。Nd:YAG(掺钕YAG)激光由贝尔实验室的约瑟夫E.盖西奇和理查德史密斯发明,后来,激光被证明是美容应用的理想选择,例如激光辅助原位角膜磨镶术(lasik)视力矫正和皮肤重铺。

1965年:贝尔实验室首次将两个激光器锁相,这是向光通信迈出的重要一步。Jerome VV Kasper和George C.Pimentel在加利福尼亚大学伯克利分校展示了第一台化学激光器,一种3.7μm的氯化氢仪器。

1966年:休斯研究实验室的Mary L. Spaeth发明了由红宝石激光器泵浦的可调染料激光器。CharlesK.Kao与英国哈洛市标准电信实验室的George Hockham合作,实现了光纤技术新的突破,共同提出光纤可以用作通信媒介,他计算了如何通过光学玻璃纤维在远距离传输光,并决定使用最纯净的玻璃纤维可以在100km的距离内传输光信号,而相比之下,只有20 m的光纤可以传输光信号。由于他取得的成果,2009年Kao获得诺贝尔物理学奖。

1970年:Basov,VA Danilychev和YuM.Popov在PN Lebedev物理研究所开发准分子激光器

1970年春季:Ioffe物理技术研究所的Alferov小组和Bell Labs的Mort Panish和Izuo Hayashi小组生产了第一批实现室温下连续波激射的半导体激光器,为光纤通信的商业化铺平了道路。

1972年:查尔斯·H·亨利(Charles H.Henry)发明了量子阱激光器,与传统的二极管激光器相比,量子阱激光器所需的电流要少得多,达到激射阈值,而且效率要高得多。Holonyak和伊利诺伊大学香槟分校的学生于1977年首次展示了量子阱激光器。

1975年:Jan P.Van der Ziel、R Dingle、obert C.Miller、William Wiegmann和WA Nordland Jr制造了第一台量子阱激光器。

戈登·古尔德:

1977年:古尔德在芝加哥的街道下完成了贝尔实验室光纤光波通信系统的第一个商业安装。

1977年10月11日:古尔德获得了光泵浦的专利。

1978年:LaserDisc进入家庭视频市场,但影响并不大。最早的播放器使用HeNe激光管读取媒体,而后来的播放器使用IR激光二极管。

Arthur Schawlow教授:

1981年:Schawlow和Bloembergen因其对激光光谱学发展的贡献而获得诺贝尔物理学奖。

1982年:麻省理工学院林肯实验室的Peter F.Moulton开发了钛蓝宝石激光器,该激光器用于在皮秒和飞秒范围内产生短脉冲。Ti:蓝宝石激光器取代了染料激光器,可用于可调和超快激光器。

1982年10月:音频CD(LaserDisc视频技术的衍生产品)问世。Billy Joel的歌迷为之欢欣鼓舞,因为他的1978年专辑“ 52nd Street”是第一张发行CD的专辑。

王大珩:

1936年,毕业于清华大学物理系。

1938年,赴英国留学,先后就读于伦敦帝国理工学院、谢菲尔德大学。

1948年回国,王大珩开拓和推动了中国光学研究及光学仪器制造、特别是国防光学工程事业。

1961年,在他的领导下研制出第一台红宝石激光器和首台航天相机,主持研制出我国第一台大型光测设备。在雷射技术、遥感技术、计量科学、色度标准等方面也都作出了重要贡献。

1986年3月,会同其他3名科学家提出“863”计划建议并获中央批准,促使发展高科技成为实现我国科技现代化的一项重要战略部署。

1992年,与其他学部委员倡议并促成建立中国工程院。荣获国家科学技术进步奖特等奖、首届“何梁何利基金科学与技术成就奖”。

2011年7月21日,王大珩在北京逝世,享年96岁。

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