許祖彥:激光技術爲什麽是重要戰略支撐技術

  在人工智能時代,激光是一種必不可少的工具 

  我國激光技術和産業已經邁入國際領先行列,在關鍵材料、元件、技術、整機及專利等方面已具備自主可控發展産業的條件 

  我國成爲世界上唯一一個能夠制造實用化深紫外全固態激光器的國家。這批儀器設備直到今日仍然對國外“禁運” 

  中青年科學家不要都變成科研“富二代”,要爭當戰略科學家。這有兩層含義,一方面,在這個領域我們已經有了一定的“家底”;另一方面,這個“家”未來的發展不能“守成”。中青年科學家不能滿足于躺在前人的“功勞簿”上 

  激光技術被認爲是人類在智能化社會生存和發展的必不可少的工具之一。例如在無人駕駛中,車載激光雷達就可以代替人的眼睛,爲車輛提供其周邊車況的變化情況。 

  當前,主要科技大國都高度重視激光技術的科研與應用,美、日、歐盟等國家和地區相繼啓動激光技術相關研究計劃。我國也十分重視激光技術的研發與應用,在國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”重點專項擬立項的2018年度項目公示清單中,不乏像高效精密激光增材制造-電解加工整體制造技術和飛秒激光精密制造應用基礎研究這些具有前瞻性、戰略性意義的項目。 

  “在激光研究和應用領域,我國總體上處于國際先進水平,某些方面是國際領先水平。”中國工程院院士、中國科技大學光學與光學工程系主任許祖彥介紹。 

  許祖彥是我國激光物理和激光技術領域的領軍人物之一,他帶領團隊取得一系列開創性成果:發現光學參量效應相位匹配折返現象的普遍性,發明多波長光參量激光器;帶領團隊首次研制成功實用化深紫外全固態激光器;率先在國內研制成功激光全色投影顯示,提出激光顯示産業頂層設計和發展路線圖,率領團隊研制成功首台三基色LD激光電視;率先在國內開展高光束質量全固態激光研究等。 

  近日,許祖彥接受《瞭望》新聞周刊專訪,講述他在我國激光技術研究和應用領域的思考。 

  激光是人工智能時代必不可少的工具 

  《瞭望》:什麽是固體激光?它在我們日常生活中有哪些應用? 

  許祖彥:激光的理論基礎起源于物理學家愛因斯坦。1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論“光與物質相互作用”。這一理論是說在組成物質的原子中,有不同數量的粒子(電子)分布在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發,會從高能級跳(躍遷)到低能級上,這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光,而且在某種狀態下,能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫“受激輻射的光放大”,簡稱激光。 

  液體、氣體和固體都能産生激光。氣體有氩氣、二氧化碳,液體中的有機染料等。所謂固體激光,就是在固體內,比如在激光晶體、激光陶瓷、激光玻璃這些東西上産生的激光。固體激光不像氣體激光,它不流動、體積小、功能效率高。現在,固體激光的波長是可以改變的,即是可以調諧的。 

  現在我們正在進入人工智能時代,在這個時代,激光是一種必不可少的工具,或者說是手段。比如掃地機器人,如果裝上激光雷達,就能在避障和智能化方面擁有更好的表現,能夠在最短時間內高效率地完成整個房屋的清潔工作。 

  《瞭望》:你曾說激光顯示將成爲下一代顯示産品的主流,爲什麽這麽說? 

  許祖彥:自主可控地打造新一代顯示産品、産業,圓中國人看中國電視的“中國夢”,是我的奮鬥目標之一。 

  人類獲取信息80%靠視覺。顯示是人機交互界面的終端,是通過人眼直接觀看的,具備信息傳播、觀賞娛樂等功能。顯示處于信息産業鏈的終端,市場巨大。現在全球産業規模每年在3500億美元左右,我國的産業規模也超過了每年4000億元人民幣。顯示産業是大國必爭之地。 

  上世紀30年代,世界上出现了黑白显示技术,到上世紀50年代,産生了彩色顯示技術,再到20世紀末,數字顯示技術的出現,解決了顯示産品的清晰問題。但之前這些技術,都是國外率先實現原理可行的,中國人想看中國電視的“中國夢”,一直沒能實現。 

  激光顯示技術雖然早在20世紀60年代就被提出,但直到21世紀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高分辨高對比度,這些特點是其他所有顯示光源無法同時具備的;激光顯示還有一個優勢就是觀看舒適度高、護眼,因爲它是漫反射成像、全像素發光、無短波藍光。根據中國電子技術標准化研究院的報告,激光顯示技術具有良好的舒適度,低視覺疲勞,並且沒有短波藍光的傷害。 

  20年來,激光顯示在我國經曆了從原理可行、技術可行到産業可行的三個發展階段。特別是2015年,杭州中科極光科技有限公司建成國內首條三基色LD激光顯示生産示範線,2017年推出世界首台三基色LD激光電視産品。到2019年,我國激光顯示企業已有27家,年産值超過150亿元。我國激光技術和産業已經邁入國際領先行列,在關鍵材料、元件、技術、整機及專利等方面已具備自主可控發展産業的條件。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,我們團隊完成了中宣部委托、工信部下達的“中國新型顯示産業發展研究”國家智庫重大戰略咨詢課題。我們建議:以激光顯示産業爲主要發展方向,百花齊放,開發諸如電子紙顯示在電子書等領域、發光二極管(LED)顯示技術在室內外大屏幕顯示方面的特色市場。 

  激光技術是我國重要的戰略支撐技術 

  《瞭望》:为什么说激光技術是我國重要的戰略支撐技術? 

  許祖彥:凡是我國有戰略需求而又買不來的技術,就是戰略支撐技術。 

  激光在國家經濟社會發展中有很多應用。用固體激光,能夠實現制造業的跨越式發展。例如去年新冠肺炎疫情期間,西安有一家公司憑借其在超快激光精密制孔方向上多年的技術積累,突破了我國企業在生産防護口罩熔噴布材料時存在的噴絲板技術瓶頸。該技術投入市場後,有效提升了噴絲孔的加工質量,進而爲熔噴布實現國産加工邁進一大步。 

  激光技術作爲我國的重要戰略支撐技術之一,支撐作用主要體現在兩個方面:一是支撐科研前沿,二是支撐國家高新技術産業。 

  在支撐科研前沿方面,2013年,我參與的國家重大科研裝備研制項目“深紫外固態激光源前沿裝備研制項目”通過驗收,這個系列科研裝備的研制成功,使我國成爲世界上唯一一個能夠制造實用化深紫外全固態激光器的國家。這些儀器設備的研制成功及利用這些設備在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體、寬禁帶半導體和催化劑等研究中獲得的重要成果,使我國深紫外領域的科學研究水平處于國際領先地位,並在物理、化學、材料、信息等領域開創了一些新的多學科交叉前沿。這些成果受到了海外學者的高度評價,這批儀器設備直到今日仍然對國外“禁運”。 

  在高新技術方面,我舉兩個案例。一個是中科院院士顧瑛的例子,她用激光治療常規血管病,創造了“顧式療法”,這種療法的原理是用激光穿透人的表層皮膚,給出血的內髒止血,挽救病人生命而不對病人皮膚造成傷害,這一療法在國際上也獲得推廣;還有一個是中科院半導體研究所的林學春研究員的例子,他開發了激光清洗汽車輪胎模具國産化成套方法,制造的相關設備不僅環保、安全高效,而且降低了我國此前對德國進口類似産品的依賴。 

  《瞭望》:如何評價我國激光技術發展的國際地位? 

  許祖彥:在激光研究和應用領域,我國總體上處于國際先進水平,某些方面是國際領先水平。比如剛才提到的“顧式療法”以及“深紫外固態激光源前沿裝備研制項目”,都是國際領先水平。再比如林學春研究員的激光清洗汽車輪胎模具國産化成套方法,這個屬于國際先進水平。 

  我國激光技術應用方面在許多方向上都有突破和發展。激光通訊方面,做得比較好的是中國工程院的余少華院士。他長期從事光纖通信與網絡技術研究,主持完成國家973863等十余個項目,均實現成果轉化和大量應用,是我國電信傳輸網SDH(同步數字體系)與互聯網(含以太網)兩網融合的開拓者之一。 

  在一些精密儀器制造行業,激光導航也是未來産業應用的一個重要方向。有了先進的激光導航技術,機器人工人就可以在工廠裏高效率地工作。 

  “追光”成爲一種潮流 

  《瞭望》:今年6月,陝西省推出“追光計劃”,希望聚焦先進激光與光子制造、光子材料與芯片、光子傳感三大重點領域,發展光子技術原始創新及産業高地。你如何看待這一發展方向? 

  許祖彥:光子産業是21世紀最具战略性、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”在全球早已成爲科學界的一種潮流:2013年,美國國家科學研究委員會發布《光學與光子學:美國不可或缺的關鍵技術》,爲光子科技的發展和應用提供了前瞻性的指引和支持;2014年,歐盟啓動實施“地平線2020”計劃,將光子技術作爲決定歐盟工業生存和未來競爭力的六大關鍵要素之一,投入巨資建設。我國也在這個領域不甘落後。今年,信息光子技術被列爲“十四五”國家重點研發計劃重點專項。 

  西安有豐富的科教資源和科技人才優勢,中科院西安光學精密機械研究所的條紋相機,以及用激光方案爲我國航天器提供登月下降控制方案,都給我留下過非常深刻的印象。西安光機所現在光電全面發展,這是一個科學的發展理念,而且還有相對成熟且高效的科研成果轉化模式,這是發展優勢。總體來看,陝西省不論是技術優勢還是政策支持,對于光子産業發展都是非常好的條件。 

  《瞭望》:你對年輕科研人員成長有何建議? 

  许祖彦:我国在激光技术研究和应用领域缺乏高端人才。希望中青年科學家不要都變成科研“富二代”,要爭當戰略科學家。這有兩層含義,一方面,在這個領域我們已經有了一定的“家底”;另一方面,這個“家”未來的發展不能“守成”。中青年科學家不能滿足于躺在前人的“功勞簿”上。 

  雖然目前我國研發人員總量已經穩居世界首位,但關鍵崗位的核心人才依然短缺,大學的人才培養與社會的發展需求有一定程度的脫節。目前,我國急需一批在國際上具有學術引領能力和産業發展帶動能力的領軍型科技人才。 

  與此同時,我國現行的科研人才培養體制還需要進一步優化,比如把一些好的科研苗子送出去培養。 

  在科研人員待遇方面,我們要在弘揚艱苦奮鬥精神的同時,根據社會發展調整科研人員薪酬分配的體制機制,及時跟上社會發展趨勢。 

  此外,對于有潛力成爲戰略科學家的年輕人,國家應該考慮給予其適合的培養渠道和重點培養方案。 

  (来源: 瞭望 姚友明)