中国一流创新技术之中国激光:引领全球“最亮的光”方向
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中国一流创新技术之中国激光:引领全球“最亮的光”方向

发布日期:2022-08-22 16:33    点击次数:64

激光是与原子能、半导体及计算机齐名的20世纪重大科技发明,具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性好的特点,被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。激光与相关技术的发展与融合,形成了激光制造、激光通信、激光检测、激光医疗等交叉技术学科,为人类认识世界和改造世界提供了一大批新工具,孕育和发展出多种类型的激光产业和系列装备,改变和重构了高端制造、信息通信、医疗诊断治疗和国防安全等多个领域。目前,我国在激光研发领域已经远远超出美国和俄罗斯,五大核心技术领先于世界国家,激光武器制霸全球。我国激光产业也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。

激光技术是重要战略支撑技术

激光的发现要追溯到1917年,爱因斯坦提出基于量子理论的受激辐射技术理论。直到20世纪50年代,电子学、微波技术等领域的迅速发展和应用使无线电微波技术向光波技术发展,这让光波振荡器成为了需求,激光器应运而生。

研究前沿激光技术,获取更高的频域特性(超短波、超长波、可调谐、单频、宽光谱等)、时域特性(超快、超强峰值等)和能量域特性(高亮度、大功率、高能等),始终是世界前沿科研的重要组成部分。

高性能激光可在实验室创造出极端条件,使得高性能前沿激光成为基础物理研究的重要工具。例如,超快超强激光具有恒星内核和黑洞边缘才具备的超高功率密度、超强电磁强度,使超新星爆发、黑洞合并等宇宙“大事件”产生的极端条件有可能在实验室人为产生,这为平行宇宙、超弦/超膜理论等基础物理理论研究提供了必需的实验工具。

高性能激光创造的频域特性、时域特性和能量域特性条件或参数,使激光成为新材料、能源、生物等科技前沿研究必不可少的工具。例如,利用硬X射线自由电子激光(XFEL)作为新一代探针光,使得人类能够实时观测原子、分子、纳米、微米尺度的演化图像,并且能够操控电子、分子、原子、甚至原子核的状态,是核物理、原子物理、分子物理以及分子甚至细胞层次的化学、生物科学研究的必备工具。

近60年来,与激光相关的研究多次获得诺贝尔奖,充分说明了激光技术在推动前沿科学研究和促进科技进步中的突出作用。

与激光相关的诺贝尔奖时间分布图(来源:陈健、周辉)

2016年,上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置研制工作取得重要进展,成功实现了5拍瓦激光脉冲输出,达到国际领先水平。1拍瓦等于1千万亿瓦,相当于全球电网平均功率的500倍,而这样强的激光脉冲时间仅为1飞秒(1秒的1千万亿分之一)。

超强超短激光被认为是人类已知的最亮光源,是国际激光科技的最新发展前沿和重点竞争领域,具有重大科技意义与应用价值:能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域具有重大应用价值。例如可用于研制台式化电子加速器和超快X射线源,对蛋白质中原子运动进行成像探测,揭示生命的奥秘;可用于研制基于小型化激光质子加速器的激光质子刀,进行癌症治疗;产生的阿秒脉冲还可以用于探测原子内电子的运动,推动材料科学与信息技术的进步;超强超短激光还可用于产生反物质,研究天体物理和宇宙起源,还可能用于真空结构和暗物质的探测。

2017年10月,上海超强超短激光实验装置研制工作再度取得重大突破,成功实现了10拍瓦激光放大输出,再度刷新了由自己创造的激光脉冲输出功率纪录。2019年12月7日,装置获得激光中心波长为800纳米,输出能量404焦耳,重复频率3分钟/发次,压缩后脉冲宽度达24.6fs,平均峰值功率11.7拍瓦(最高峰值功率12.9拍瓦)的结果,再次打破世界纪录。同时,依托该项目,上海光机所还成功研制国际最大口径钛宝石晶体等核心器件。

中科院上海光机所—上海科技大学超强激光光源装置

我国激光技术领先美国至少15年

自上世纪60年代以来,我国就一直在潜心研制激光技术。现阶段,中国已掌握了五大核心技术,包括激光材料技术、激光成像技术,一次性快速跟踪定位控制技术、激光辐射材料物理机理及成像图谱技术,以及高密度能量可逆转换载体材料技术等。

值得骄傲的是, 英灵殿官方网站APP下载中国在激光技术领域,有一项技术还取得了垄断地位,并整整反制了美国15年,美国耗费巨大的人力、物力和财力,直到2016年才勉强追赶上。

这就是KBBF晶体(氟代硼铍酸钾)晶体技术。KBBF是一种非线性光学晶体材料,是唯一能实际输出深紫外激光的非线性光学晶体,能够将激光转化为史无前例的176nm波长(深紫外)激光,从而可以制造出深紫外固体激光器。这一技术应用于激光武器,可以大幅提升探测能力,并且被一致认为是一项可以改变战场规则的利器。

KBBF晶体

最开始,我国本着“科学无国界”的原则,向全世界的研究者开放KBBF晶体提供,但在后续研究中意识到了KBBF晶体在国防上的重要意义,随即停止了KBBF晶体的出口。美国突然发现被东方大国在核心技术上“卡了脖子”,开始着力拨款研发KBBF晶体,但就是这样一块晶体,令美国人头疼了15年。经过长达15年的努力,和克莱门森大学合作的美先进光学晶体公司终于在2016年成功研制美国产KBBF晶体。

不过,在这15年中,中国早已研制出了新一代的RABF晶体。这种晶体不仅继承了KBBF晶体的结构优点,而且还克服了晶体层状生长习性严重等多个缺点。而且2013年9月9日,中科院网站公布,我国深紫外固态激光源系列前沿装备通过验收,我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。

继续做到这一步,美国恐怕再追15年都不够。五角大楼曾发布过一份名为《空间威胁评估》的报告,声称中国和俄罗斯具有了威胁美国空间地位的能力,其中还特别指出使用激光武器摧毁卫星等。

未来太空武器“利剑”——激光武器

激光武器是一种利用高功率激光束摧毁飞机、快艇、坦克、人员、导弹、卫星等目标,或使它们失效的定向能武器。抢占军事科技的制高点,就等于在每一场战争中掌握了立于不败之地的法宝。激光武器是新一代武器革命的关键,不少国家都投入巨资去研究激光武器,比较著名的有美国的劳斯激光系统。

激光武器有着很多独特的优点:首先,激光武器能以30万公里每秒的速度飞行,目前世界上任何武器都没法与之相比拟。一旦被其瞄准,几乎不用什么时间就可以击中目标,完全可以说是“瞄准即摧毁”。其次,激光武器可以在极短的时间内、极小的面积上,集中超过核武器100万倍的能量,将目标瞬间摧毁。并且,与核武器不同的是,激光武器还不会产生放射性污染。这也就意味着,核武器只是用来威慑对手,而激光武器可以用于实战。最后,激光武器还具备反应时间短、攻击速度快、能力强、精度高、火力转移迅速,不会受到外界电磁波干扰等优点。

基于这些特性,应用在战术打击上时,激光武器能快速拦击突然从低空、超低空袭来的目标,并且还能快速变换方向,灵活应对多个目标,不仅大大提高了对精确武器的拦截概率,还能解决近程防空这一大难题。

在可以预见的未来,将会出现新型防空导弹、高炮和激光武器三结合的对空防御系统,这对保护重要目标有着非常大的意义。而且激光武器也不仅只是应用于上述战术层面,它还能上升到战略层面,比如,可以反卫星,反洲际导弹。

另外,激光武器成本低,和当前的主体导弹相比,激光武器非常便宜。发射一枚爱国者导弹,要花费60—70万美元,就是一枚短程“毒刺”导弹也要2万美元,而激光发射1次只需数千美元。

1964年3月,我国开始研发激光武器;到1986年,中国正式启动“863计划”,在国家战略层面,确认研制激光武器,而此时中国“神光”系统,输出总功率已高达1万亿瓦量级。1994年,神光1退役,神光2立项启动,到2000年,神光2的功率高达8万亿瓦。如今,“神光”激光武器系统拥有全球最大激光输出功率,达到史无前例的1000万亿瓦激光脉冲,能够拦截3000公里以内的敌方导弹。

“神光”激光器最理想的载体还是战舰或航母,对于拥有055型万吨战争驱逐舰的中国来说,无疑是如虎添翼。它的研制成功表明中国在激光军事科技领域位于世界前列,使我国的军事硬实力又上一个新台阶。

神光三号启动

德国一媒体曾经报道称“中国是美国在激光武器研发上最强大的对手,在某些领域甩了美国几条街”,但中国的激光“神器”一直没有公开。这个武器代号“死光A”,是一款重型激光武器,以小型车载移动式核子发电机组为其补充能量,专门用来打击敌方的军事卫星、未来敌方“空间站”,摧毁敌方弹道导弹以及水下核潜艇,真正实现了“海陆空”立体饱和打击。

当前还没有哪个国家的兵器可以扛过“死光A”的一次攻击,一次攻击可以摧毁10艘核潜艇,20枚高速飞行的弹道导弹,且最远射程35万公里,3万米内实现精准打击。对比其他国家在该领域还基本处于婴儿学步的阶段,中国的巨大威力的激光武器已经准备交付使用。未来,我国将从路基发展到空基,届时在空间站或卫星上直接搭载这种武器,全球任何军事目标都将在中国的打击范围之内。

激光技术大有可为

激光被誉为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”,是20世纪以来继原子能、计算机、半导体之后人类又一重大发明。据美国科学和技术政策办公室统计,美国GDP的50%、欧洲GDP的42%与激光息息相关。

2010年美国GDP的50%与激光技术相关

(来源:未来智库)

50多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变等。这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

激光制造应用是激光产业应用的主要方向,包括去除与连接、表面工程、增材制造、修复与再制造和微纳制造等5类,产值规模占激光应用产业的30%以上。激光制造具有易于操作、非接触、高柔性、高效率、高质量和节能环保等突出优点,是切割、焊接、表面处理、高性能复杂构件制造和精密制造的主流手段,被誉为“万能加工工具”“未来制造系统共同的加工手段”,引领先进制造业的发展,对工业智能化进程影响深远。

激光技术是现代信息产业的支撑技术。光纤通信是高速互联网不可或缺的物质基础;无线光通信技术是实现海量信息远距离快速传输的唯一方式,也是巨型计算机、大型超算中心、5G基站和5G数据中心等内部及相互之间高速海量数据传输交换的主要方式;光存储是海量大数据信息存储的主要方式;高清晰激光显示技术将引发人类视觉史上的一场革命。此外,激光技术还是高精度测量传感、无人驾驶和量子通信的重要基础。目前,激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛使用。

激光技术是医疗和诊断领域中不可替代的一类技术手段。光学相干层析成像(OCT)、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像是现代医学诊断的重要技术。强激光治疗、光动力治疗及弱激光治疗已广泛应用于眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等科室300 多种疾病的治疗,以其精准性、微创或无创性引领医学治疗模式的转变。

随着激光技术的逐步成熟和产业化,一方面,国产激光设备的质量、技术与服务在竞争中慢慢提高,国产激光产品的崛起正在逐步取代进口的激光产品;另一方面,激光技术的应用比许多传统制造技术更具成本效益,使激光应用得以迅速普及。

2016—2021年我国激光产业市场规模(单位:亿元)

(图片来源:前瞻经济学人)

编辑整理/罗冉