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戰略研究:我國激光技術與應用2035發展戰略研究 | 中國工程院院刊

發布時間:2020-07-14 來源:元祿光電

2020年是激光發明60周年,激光技術和應用的發展極大地改變了世界。為促進激光技術及應用的發展,中國工程院于2018年啟動了我國激光技術與應用2035發展戰略研究重點咨詢項目,本文是項目研究綜合報告。文章簡要分析了激光技術及在科研與產業中的工具性、引領性和顛覆性作用,分析了我國激光技術在前沿激光、制造加工、信息通信、醫療診治等領域的科研和應用的發展現狀,梳理了多個制約加速發展的問題,提出了我國激光技術及應用2035年發展目標設想及政策措施建議。

 

一、前言

激光是與原子能、半導體及計算機齊名的20世紀重大科技發明,具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性好的特點,被稱為最快的刀”“最準的尺”“最亮的光。激光與相關技術的發展與融合,形成了激光制造、激光通信、激光檢測、激光醫療等交叉技術學科,為人類認識世界和改造世界提供了一大批新工具,孕育和發展出多種類型的激光產業和系列裝備,改變和重構了高端制造、信息通信、醫療診斷治療和國防安防等多個領域。隨著新型激光器和激光新應用的持續涌現,激光技術的作用將更為突出,將在創新型國家建設和提升國際產業競爭能力中發揮重要作用。

 

鑒于激光技術和應用發展的重要性,2018—2019年,中國工程院組織開展了我國激光技術與應用2035發展戰略研究重點咨詢研究項目。項目組深入調研了激光技術和產業發展現狀,著重圍繞制造加工、信息通信、醫療診治領域三大產業,梳理與國際先進水平和產業應用需求的差距,重點提出了2035年前我國的發展目標、攻關重點和產業政策需求。

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1 激光技術

 

二、激光技術及應用的作用與地位

(一)前沿激光技術是基礎物理研究和多領域前沿科技攻關的重要工具

研究前沿激光技術,獲取更高的頻域特性(超短波、超長波、可調諧、單頻、寬光譜等)、時域特性(超快、超強峰值等)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。

 

高性能激光可在實驗室創造出極端條件,使得高性能前沿激光成為基礎物理研究的重要工具。例如超快超強激光具有恒星內核和黑洞邊緣才具備的超高功率密度、超強電磁強度,使超新星爆發、黑洞合并等宇宙大事件產生的極端條件有可能在實驗室人為產生,這為平行宇宙、超弦/超膜理論等基礎物理理論研究提供了必需的實驗工具。

 

高性能激光創造的頻域特性、時域特性和能量域特性條件或參數,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。例如,利用硬X射線自由電子激光(XFEL)作為新一代探針光,使得人類能夠實時觀測原子、分子、納米、微米尺度的演化圖像,并且能夠操控電子、分子、原子、甚至原子核的狀態,是核物理、原子物理、分子物理以及分子甚至細胞層次的化學、生物科學研究的必備工具。

 

六十年來,與激光相關的研究多次獲得諾貝爾獎,也充分說明了激光技術在推動前沿科學研究和促進科技進步中的突出作用。

 

(二)激光技術在塑造現代制造、信息、醫療和國防等產業中發揮著不可或缺的作用 

激光制造應用是激光產業應用的主要方向,包括去除與連接、表面工程、增材制造、修復與再制造和微納制造等5類,產值規模占激光應用產業的30%以上。激光制造具有易于操作、非接觸、高柔性、高效率、高質量和節能環保等突出優點,是激光刻蝕、切割、焊接、表面處理、高性能復雜構件制造和精密制造的主流手段,被譽為萬能加工工具”“未來制造系統共同的加工手段,引領了先進制造業的發展,對工業智能化進程產生深遠影響。

 

激光技術是現代信息產業的支撐技術。光纖通信是高速互聯網不可或缺的物質基礎;無線光通信技術是實現海量信息遠距離快速傳輸的唯一方式,也是巨型計算機、大型超算中心、第五代移動通信技術(5G)基站和5G數據中心等內部及相互之間高速海量數據傳輸交換的主要方式;光存儲是海量大數據信息存儲的主要方式;高清晰激光顯示技術將引發人類視覺史上的一場革命。此外,激光技術還是高精度測量傳感、無人駕駛和量子通信的重要基礎。

 

激光技術已是醫療和診斷領域中不可替代的一類技術手段。光學相干層析成像(OCT)、光聲成像、多光子顯微成像、拉曼成像是現代醫學診斷的重要技術。強激光治療、光動力治療及弱激光治療已廣泛應用于眼科、外科、內科、婦科、耳鼻喉科、心血管科、皮膚科等科室300多種疾病的治療,以其精準性、微創或無創性引領醫學治療模式的轉變。

 

在國防領域,激光已應用于測距、成像、指向、制導、通信及對抗等,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代戰爭的面貌。近年來,直接利用激光能量殺傷目標的高能激光武器已接近成熟,將逐步進入多種應用裝備的研制和列裝階段。受小型無人機應用快速拓展的影響,低空防御型激光系統因作為和平時期重要地點、重大活動安防不可或缺的手段而得到快速發展。

 

(三)加速發展激光技術及應用可有力推動和引領經濟產業轉型升級
激光技術的廣泛應用和持續拓展,顯示這是一項極其重要的核心關鍵技術、基礎性技術和引領性技術,有力推動和引領著經濟產業發展和轉型升級。

 

第一,激光技術是一項重要的工具性技術,其應用可以加速改變相關行業面貌,激光在制造行業、信息通信和醫療行業的應用及擴展就說明了這一點。

 

第二,激光技術是一項極強的滲透性的基礎性技術。激光產品所支撐的經濟規模遠遠大于本身的經濟規模。2010年美國科技政策辦公室的一份研究報告指出,2009—2010年美國的電信、電子商務及信息技術總價值為4萬億美元,其中激光器自身的價值僅為32億美元(半導體和光纖激光器)。換個角度,激光技術產品在經濟體系中的重要性遠超產品本身的價值規模。

 

第三,激光技術孕育孵化新應用的能力很強,能夠不斷與其他技術融合創造新應用和新產業,具有突出的產業引領性特征。例如,近30年來半導體激光器性能的不斷提升,使得光交換技術成熟和光纖通信網絡的容量達到每秒太字節以上,這是第四代移動通信技術(4G)和5G通信技術發展的重要基石。另外,激光顯示技術的成熟即將催生萬億級的產業規模。

 

三、我國激光技術與應用發展現狀分析

(一)我國激光技術科研主要力量集中在科研院所和高等學校,企業相對較弱
科研院所和高校是我國激光器系統科學技術研究的主要力量,包括中國科學院、各個軍工集團和中國工程物理研究院的多個研究所和華中科技大學、清華大學、國防科技大學等。據《2019中國激光產業發展報告》統計,目前我國與激光相關的30個國家級科研平臺(包括1個國家實驗中心、14個國家重點實驗室、5個國家工程研究中心、10個國家工程技術研究中心),僅有精密超精密加工國家工程研究中心和國家半導體泵浦激光工程技術研究中心建在企業,其他28家均依托科研院所和高校建設。

 

高校和科研院所承擔了大部分國家計劃的激光科研攻關項目,企業占比很小。2017年,國家自然科學基金資助與激光緊密相關的項目有415項,資助經費近3億元,中國科學院半導體研究所等4家科研院所和西安交通大學等6家大學位列資助經費額度的前10位,占總支出額的44%。2017年國家自然科學基金支持光電領域重大科研儀器研制項目為26項,總金額約為1.8億,依托單位為14家大學和8家科研院所。

 

相比較而言,我國企業在開展激光科研方面力量相對較弱,獲得國家科技計劃資助也相對較少。一方面這反映出我國企業科研實力、科研基礎相對較弱,無法與高校和科研院所競爭;另一方面也說明目前激光領域資助項目來自產業前沿較少,問題較為基礎,風險較大,與產業關聯較弱,企業興趣不大。

 

(二)我國激光科研領域覆蓋面廣,總體技術水平還不夠高

在前沿科研方向領域中,新型半導體激光器、超快超強激光器、深/極紫外激光器、高能固體激光器和自由電子激光器領域是主要方向,具有以下幾個特點:第一,在反映激光本質的頻域特性(超短波、超長波、可調諧、單頻、寬光譜等)、時域特性(超快、超強峰值等)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,有著重要的應用需求,且目前的性能距離應用需求尚有一定差距;第三,預示著激光技術的重要發展趨勢和方向(往往包含著新材料、新結構、新原理、新體制的發現和發明)。前沿激光技術是關系到占領未來科技戰略制高點的關鍵技術之一,是國際上各國激烈競爭的焦點。當前,我國科技計劃對上述前沿激光技術方向都有一定的規劃布局和支持,總體上說,大部分研究方向與世界先進方向有一定差距。

 

在智能制造領域,我國激光制造已成為過去十年先進制造領域發展最快的方向之一,但大部分技術還處于跟蹤國外先進水平的階段。無論微納制造、宏觀制造,還是金屬、非金屬及生物增材制造,均形成了一定特色,部分技術國際領先。然而,與先進國家相比,仍在多方面處于落后地位:缺乏原創和能對經濟社會發展產生革命性、突變式進步的技術,大部分處于跟蹤的階段;高品質高穩定激光器、激光加工頭和外光路系統主要依賴進口,系統集成的智能化欠缺;某些核心技術如控制軟件、特種光纖等,一直難以取得突破,制約了激光產業核心競爭力的提升。

 

在信息領域,與我國移動通信和數據通信市場的領先發展同步,我國光纖通信的科研和產業化開發等達到世界先進水平。在無線空間激光通信方面,我國在201612月底至20171月中旬利用墨子號量子衛星成功開展了星地高速相干激光通信載荷在軌測試,總體上處于跟進狀態。激光顯示已具有堅實基礎,建立了從核心光學材料與器件、半導體與全固態激光器至整機集成的完整技術鏈,總體上與發達國家處于同一水平,其中投影式激光顯示技術已取得突破,產業規模已經領先于國際水平,具備加速發展條件。

 

在醫療領域,近年來激光醫療的基礎研究和技術創新迅速增長。2019年,在82項自然科學基金資助國家重大科研儀器研制項目中,16項與激光醫學相關,金額為11 857.87萬元,占總體資助金額比例約為20.44%。光動力療法(PDT)、弱光治療等部分激光醫療技術的基礎及臨床應用水平已處于國際領先水平。但我國激光醫療產業以中小型民營企業為主,缺乏真正來自臨床的需求牽引,拿來主義比較典型,臨床難以對激光器提出更高標準的需求,生產指標不針對醫療需求,導致激光醫療設備大量依賴進口,特別是用于精準診療的超快激光器等關鍵技術和高端設備被國外壟斷。另外,與國外相比,激光醫療器械注冊審核要求過嚴,周期過長,影響了新產品研發,2016—2018年中國僅有18項國產激光醫療器械得到上市許可,而同期美國則有100項。

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2 激光技術在醫學領域的應用

 

在國防領域,經過幾十年的艱苦努力,我國激光武器技術總體上與國際先進水平接近。在安防領域,特別針對低空安保與反恐維穩對小型多旋翼無人機的攔截需求,中國久遠高新技術裝備有限公司等于2014年在世界上率先研發低空衛士激光攔截系統,總體上處于國際先進水平。 

 

(三)我國激光應用產業快速發展,國際競爭力快速提升,但高端、原創產品仍不多

我國激光應用產業快速發展,大規模的激光企業已遍布華東、華南、華北、東北、華中及西部地區。據《2019中國激光產業發展報告》統計,我國在26個城市已有激光產業基地(園區)37個,2011年到2018年激光設備銷售收入提高了5倍多,涌現了一批有世界競爭力的激光企業。

 

經過多年的努力,我國激光企業在中低端激光產業上已站穩腳跟,但在高端技術水平的產業和高端核心部件上與世界先進水平仍有較大差距;在產品上,跟隨型產品居多,我國原創或首創性的產品相對較少。

 

未來我國激光產業仍將快速發展。第一,隨著傳統產業的技術升級、產業結構調整、節能環保要求提升以及個性化需求的發展,我國激光制造設備產業將面臨更大的發展前景;第二,激光光纖通信、激光顯示、激光存儲等信息應用有著巨大發展空間,激光雷達、激光無線通信等也將隨著無人駕駛等應用的發展而加快;第三,激光醫療裝備產業發展方興未艾,未來將隨著與可穿戴設備的融合,在慢性病的日常監測和防治中發揮更大的作用。

 

(四)我國激光應用產業更快更好發展還面臨一系列制約因素

1)缺少制度性的頂層統籌謀劃和長遠規劃。激光技術與應用涉及多個領域,覆蓋面廣,在國家頂層沒有定期進行統籌規劃和發展評估的制度性安排,一定程度上影響了協調發展的速度。

 

2)支撐激光產業發展的基礎研究(如支撐新產品研發的新機理、新機制、新工藝)不夠,導致原創性激光產業稀少。主力科研機構有人力、設備,但不了解真正的需求,企業因風險高導致意愿低、投入少、能力弱,從而使產業基礎研究進展緩慢、效果欠佳,很難催生原創性產業。

 

3)關鍵共性技術供給不足。關鍵共性技術研發創新體系尚未建立,組織機制不健全,政策支持不連貫,經費投入不足,成果共享和推廣應用機制亟待完善。

 

4產學研用協同創新不夠。我國激光技術研發的主力在科研院所和高校,與企業及園區的關聯度都不高,技術研究成果對產業的轉化和支撐明顯不強。

 

5)產業發展政策有待加強。在醫療領域尤其突出,我國醫療器械的注冊和認證法規導致前期研發、檢測認證、臨床及審批取證需要巨大的資金成本和時間成本,不利于鼓勵創新型激光醫療器械的推廣和應用,也與激光技術快速發展的實際不符。

 

6)專業人才培養覆蓋不足。激光應用是典型的交叉學科應用,在當前的教育體系中,機械制造行業、信息行業、醫療行業等相關專業的教育中往往欠缺激光技術的內容,對激光技術新產品在該行業的滲透和發展不利,影響激光裝備和產品效能的發揮。

 

四、我國激光技術與應用2035年發展目標思考

(一)指導思想

以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導,以服務于實現兩個一百年目標為根本遵循,以提升激光科技與產業支撐總體國家安全的能力為核心,著力加強頂層謀劃,著力解決制約激光技術創新和產業高質量發展的管理體制機制束縛和關鍵核心技術的自主可控問題,努力培育新興激光應用產業,加快我國激光技術和應用產業的高質量發展,實現我國激光科技和產業的歷史性跨越。

 

(二)總體目標

2035年,我國激光技術與應用的整體水平和研究能力顯著提高,前沿技術、應用技術和產業化水平總體均衡,主要領域技術水平達到世界先進,主要激光產業領域達到先進國家同等水平,有效支撐我國創新驅動和可持續發展,并創造較大的經濟效益和社會效益。

 

1)突破超高亮度、超短脈沖和單頻超穩激光器等前沿激光技術,發揮對天文學等基礎物理研究的支撐作用。

 

2)建設一批重大激光裝置(如超短超強、XFEL、THz-FEL裝置等),支撐材料、生物、能源等基礎研究,夯實我國科技發展后勁。

 

3)自主突破激光半導體芯片等關鍵瓶頸產品,實現產業核心基礎的自主可控水平,保障經濟安全。

 

4)發展新型半導體激光器等新型激光器,發展激光新應用的機理、工藝等應用基礎研究,創造新產業,有效支撐和促進5G、大數據、云計算、量子技術、無人駕駛等新興產業的發展,實現引領發展的作用。

 

5)激光在智能制造和信息領域的技術水平和產業規模達到世界先進水平,有效支撐我國制造產業轉型升級。

 

6)服務健康中國戰略,持續拓展醫療診斷應用,提升激光醫療裝備滿足高端市場能力。

 

7)積極發展國防與安防應用,滿足國家需求。 

 

(三)領域目標

在前沿方向領域,到2035年,我國半導體激光器、高能固體激光器、超快超強激光、深/極紫外激光和自由電子激光等激光前沿技術研究的整體水平和研究能力顯著提高,實現一系列核心技術的突破,建成一批重大激光科研裝置,實現我國前沿激光技術由跟跑、并跑向領跑的轉換,支撐和促進我國基礎科研的研究和前沿應用科技的發展。

 

在智能制造領域,2035年基礎研究取得一批原創性成果;攻克激光制造核心部件關鍵技術,基本實現我國激光制造全產業鏈自主供給;研發智能化、極端化、高性能先進激光制造技術與系列裝備,基本實現航空發動機等高端裝備激光制造技術全產業鏈的自主供給;實現大規模產業化應用,激光制造與再制造相關產業規模達到萬億量級;激光制造與再制造產業整體實力達到世界先進水平。

 

在信息領域,我國激光信息技術和產業到2035年將處于世界領先地位。構建安全可控的激光信息技術體系,信息領域核心激光技術自主可控,完全掌握關鍵核心技術和工藝。形成產業鏈和創新鏈協同發展的新業態、新模式不斷涌現的創新合作體系,成為信息激光技術新興產業發展策源地,形成激光創新經濟集聚發展新格局,激光技術產業集群持續發展能力和競爭力國際領先。

 

在醫療領域,到2035年的目標是建立激光醫療體系評價標準,完善醫療激光器以及整個激光產業生態環境;針對重大醫學應用,掌握激光器核心部件和關鍵技術并產業化,形成完整的產業鏈,形成國際競爭力,擁有世界領先的自主知識產權。

 

五、加速我國激光技術與應用發展的措施建議

1)強化頂層統籌謀劃,引領我國激光技術與應用產業快速發展。一是面向2035年國家發展目標,建議制定《我國激光技術與應用中長期發展規劃綱要(2021—2035年)》;二是依托中國工程院和中國科學院,每5年定期評估激光技術與應用發展狀況,前瞻提出發展重點和引領目標,及時向國家提出涉及激光科技和產業發展的咨詢建議。

 

2)加強基礎研究,聚力突破產業化發展中的重大基礎問題和核心基礎材料、器件,努力打造自主可控的產業共性技術基礎,為可持續發展奠定扎實基礎。例如聚焦高性能激光芯片、新型新體制半導體激光器、高性能特種激光光纖、激光晶體、激光增材制造和再制造用金屬材料等核心材料和器件,成體系組織原料、關鍵設備、設計、工藝、測試和規?;a技術攻關。

 

3)實施若干應用研發專項,加大產業扶持政策,打造多個新激光產業鏈。如在制造領域,繼續加強航空航天、機械制造等高端裝備領域激光制造與再制造技術相關應用研究與驗證計劃;在信息領域,開展空間激光寬帶傳輸與組網基礎科學問題研究和關鍵技術攻關,加速激光顯示等發展規劃和產業未來布局;在醫療領域,支持研發臨床用的高性能飛秒激光器及裝備;將成熟度高、風險較低的激光臨床設備納入《免于進行臨床試驗醫療器械目錄》,推進激光醫療器械注冊人制度。

 

4)創新產業協同機制,完善激光產業創新生態。如以重點臨床醫院為依托單位,集中國內相關高校、研究院所和企業的技術優勢,建設國家級激光醫學臨床轉化工程研究中心;充分發揮企業的創新主體作用,充分發揮行業協會等行業團體在產業規劃、產業共性技術問題提出與研發、產業標準規范制定中的作用。

 

5)強化激光基礎教育,加大對激光及光學應用人才培養力度。適應激光應用加速發展的需要,在臨床醫學下設立激光醫學二級學科,在材料、制造等理工專業中強化激光基礎教育,夯實激光應用發展的人才基礎。

 

六、結語

2020年是激光發明60周年,激光技術和應用的發展極大地改變了世界。黨的十九大確定了2035年基本實現社會主義現代化和躋身創新型國家前列的戰略目標,這為激光技術和應用帶來了前所未有的發展機遇,也對激光技術與應用的發展提出了高標準的要求。我們必須充分認識激光技術與應用的作用和潛力,認清制約發展的困難與挑戰,加強統籌謀劃,以改革的大無畏精神和勇氣突破各種制約,堅持自主創新和開放創新,堅持應用和產業為目標牽引,強化激光技術攻關,完善激光產業創新生態,積極搶占國際競爭制高點,為中華民族偉大復興中國夢的實現貢獻力量。


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