激光“简史”：技术革新与前沿应用齐飞

原标题：激光“简史”：技术革新与前沿应用齐飞

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谈起激光，你是否会想起老师手握激光笔慷慨激昂的授课回忆？医生用神奇的飞秒激光治疗近视？以及科幻大片中的反导弹激光武器？仔细想来，激光确实已经广泛存在于我们的生活中，从日用到医疗，从加工到武器，激光都无处不在。

作为20世纪以来继原子能、计算机、半导体之后的一大重要发明，如今激光在显示、切割、医疗、军事等诸多领域上都有着重要应用，例如激光显示、激光加工、激光矫视、激光美容以及激光雷达等。由于激光在亮度、方向性、单色性方面都极具优势，因此也被誉为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。随着激光技术的不断成熟，其在各个前沿领域的应用也逐渐得到了人们的关注。

夜空中最亮的星：激光起源

1916年，一位穿着女鞋的地表最强男人——爱因斯坦发表了题为《关于辐射的量子理论》的论文[1]，首次提出了受激辐射的概念：处于高能级的原子在受到入射光子的刺激后跃迁至低能级，并释放出两个与入射光子同等能量的光子。自此，受激辐射这一光放大过程（产生激光的前提条件）在科学界引起了轰动。

一般情况下原子处于稳定的基态，受激辐射占比小，无法产生光放大。为了形成激光，受激辐射应当占据主导地位，因此需要实现粒子数反转，使得处于高能级的原子远多于基态。1951年，美国物理学家查尔斯·汤斯提出了利用外加电场激发氨分子，再通过磁场和谐振腔实现粒子数反转的方法，并于1953年制造出世界上第一台微波放大装置（MASER），该装置可利用激发的氨分子（被认为是增益介质，提供大量可发生能级跃迁的粒子）产生受激辐射来放大频率约为24 GHz的微波，这一装置被认为是激光的前身[2]；1960年，美国加利福尼亚休斯实验室的西奥多·梅曼研制出了世界上第一台红宝石激光器[3]；次年，“中国激光之父”王之江教授也于中国科学院长春光学精密机械研究所研发出了小球照明红宝石激光器，并且实现了更高的激发效率[4]。自此，科学家们总结了产生激光所需要的三个条件：(1)实现粒子数反转；(2)满足阈值条件；(3)满足谐振条件，与此同时，激光科学和技术也呈现出飞速发展的态势。

进击的激光技术：前沿应用如约而至

近年来，激光产业在全球发展迅猛。据统计，每年和激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元，得益于应用领域的不断拓展，激光产业的前沿应用也逐渐驶入高速发展期，具体包括：材料加工与光刻、通信与存储和显示等工业应用、医疗与美容以及科研军事等。

图1 全球激光产业细分市场规模分布

Ⅰ

激光精密加工与光刻

激光加工与光刻是激光系统最常见的应用领域。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，具体包括：激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程，具体包括：光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

在全球都密切关注的半导体领域，实现先进制程所必须采用的光刻机也依赖于激光技术。作为“光快刀”的光刻机能够实现在半导体上雕刻出芯片结构，并且其光波长越短，所能雕刻的电路尺寸越小，芯片上的晶体管越多，制备得到的半导体芯片性能也就越高。为了制造这类芯片，需要用到波长仅为13.5nm的极紫外光（EUV），而为了产生这种极紫外光，需要应用到激光技术[5]。

图2 半导体光刻机的核心：EUV激光系统

在复杂微光学器件、集成光学器件、微机电系统以及生物医学器件等加工领域，激光同样得到了人们的青睐，并且相关的技术也在不断迭代升级。对于传统激光技术包括激光直写、光刻等，人们已经实现在较大程度上满足当前的产业需求，此外针对超高精度的前沿应用，研究者们也开始开发新方案，例如：开发的基于飞秒激光的双光子聚合三维微纳结构加工技术，未来有望实现低成本、高分辨率、真三维、任意结构加工[6]；研发的微纳米尺度的激光精密加工技术，可用于高质量微纳米结构的制造及相关的表面加工等方面，进而突破新型功能性器件和结构的制造瓶颈[7]。

图3 非接触式微球超快激光微纳加工装置及所制备的表面纳米图案

Ⅱ

激光通信与存储

激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式，按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，其中：大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信，光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。自2015年SpaceX宣布“星链”计划后，韩国三星、英国通信公司Oneweb、加拿大Telesat、美国亚马逊Kuiper、波音等也开始加速卫星的发射和布局，全球卫星制造市场规模呈现快速上升态势。随着星间通信、星地通信等应用场景中所需传输数据的海量增加，传统射频通信越来越难以满足现实的需求，相较之下，激光由于波长短、增益大，被认为是未来通信载体的新趋势。2019年，SpaceX进行了星间激光通信系统上轨验证，成功完成了两颗在轨卫星传输数百GB数据的测试，随后SpaceX宣布所有发射的卫星都将配备激光通信终端，此外我国星网的“GW星座计划”也宣称将全部采用激光通信系统。激光通信作为卫星网络产业链核心价值环节，未来将带来年百亿级市场[8]。

图4 不断向商业化迈进的激光通信技术

激光存储是指用带有信息的激光照射材料，使其性质发生改变并在材料中记录，进而实现信息存储。现有的光存储技术与传统的磁存储技术相比有如下特点：安全性高、存储密度高、并行程度高、抗电磁干扰强、非接触式读写、信息价格位低、存储寿命长等。此外，近年来随着大数据、云计算、物联网、人工智能和传统产业的转型升级，爆炸式增长的数据量也对存储技术提出了更高的要求。

由于光存储行业基础技术成熟、市场前景广阔、政策红利多，因此学术界和产业界均不断对激光存储技术开展探索：英国南安普敦大学、俄罗斯莫斯科州立大学均基于飞秒激光直写技术，展示了基于玻璃介质的五维光存储技术，该技术稳定性高、体积小、存储能力强、寿命可达几千年，适用于海量信息的长时间安全存储；澳大利亚顾敏院士领导的光存储研发团队采用双光束超分辨率光存储技术完成了单盘1 PB的存储密度和单次记录节能85%的原理演示性实验[9]。目前，松下、索尼、日立、紫光存储、易华录等企业也正在加码布局光存储技术的发展和产业化。

图5 光存储——超大规模数据量存储技术

Ⅲ

“点火”激光聚变

激光聚变是当前激光应用的重大前沿课题之一，其历史可以追溯到20世纪。前苏联诺贝尔奖获得者Basov于1963年、中国科学家王淦昌院士于1964年分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径；1972年美国科学家Nuckolls等人提出了基于内爆方式的激光聚变方案[10]，人们对激光聚变的研究自此开启了漫长的征途。

激光聚变的用途可分为以下3种：(1)实现没有长期核废料、零碳排放等特点的“未来终极能源”；(2)发展新型核武器，尤其是用于新型氢弹的研制；(3)部分代替核试验。2022年12月，美国历史性地实现了能量增益倍数超过1.5的激光核聚变点火，在能源、军事等领域引起轰动，实际上，全球大国都早已聚焦相关研究：法国兆焦激光器(LMJ)和欧盟超强激光构造计划(ELI)启动后，2012年俄罗斯宣布建造世界上功率最大的激光装置；此外目前中国神光系列激光聚变研究与国际几乎同步。在未来，激光聚变装置研发将是巨大的蓝海市场，全球各国将争先建造这一具备体系性核心竞争力的“大国重器”。

图6 激光聚变原理示意图及美国NIF装置

Ⅳ

激光显示及相关工业应用

显示产业是中国电子信息产业的基石之一，也是信息领域为数不多的每年千亿美元级的产业，带动力和辐射力极强，目前已成为电子信息产业领域竞争的新高地。除去传统的LCD和OLED显示，Mini/Micro-LED和激光显示也逐渐被市场认可和接受，例如：2022年5月，三星在ISE展会上发布基于Mini/Micro-LED的新一代“The Wall”电视；2023年5月，海信使用激光显示技术，在AWE展会现场打造引人瞩目的“沉浸空间”，获得了行业与用户的聚焦与认可。

在显示行业发展初期，激光技术主要用于LCD显示领域，通过激光退火和激光修复等技术对LCD产品进行加工制造。随着激光显示和Mini/Micro-LED技术的崛起，人们也在不断探索激光在显示制造的应用，帮助新型显示产品实现快速商业化落地。激光显示技术主要采用红、绿、蓝(RGB)三基色激光或激光+稀土发光材料作为光源以实现全彩化，具有色域广、色彩艳丽、亮度高等优势，目前其主流的应用领域为激光投影，可以满足影院、车载、工程、商教等多个应用场景；Mini/Micro-LED相对于传统LED加工技术，其尺寸的微缩引入了效率下降、成本增高等问题，而激光技术在其中也逐渐得到了关注和应用，例如：激光切割、激光键合、激光剥离和巨量转移等[11]。

图7 激光显示及其在显示行业中的部分应用

其他新兴的工业应用领域，比如激光清洗、3D打印、激光雷达等，也极大地推动了激光产业的飞跃发展，尤其是汽车电子和消费电子领域，其对激光产业具有强劲的带动作用[12]。具体地：(1)锂电池应用领域：激光设备在电芯段和模组段均有大量应用：在电芯段，激光设备主要应用在极耳焊接、封口焊接等环节；在模组段，激光设备主要用在电芯与电芯之间的连接。随着锂电池制造的自动化程度加大，激光设备的需求量也将进一步攀升；(2)工业设备领域：常用的激光应用场景包括激光打标、激光清洗、3D打印等多个环节；(3)消费电子及汽车领域：消费电子中的激光设备具有消费属性，更新迭代周期远小于其他行业，而在汽车领域中，激光设备则可用于整车及汽车零部件的焊接、汽车雷达等。

图8 激光3D打印及激光雷达

Ⅴ

激光医疗与美容

激光治疗主要采用激光光束进行疾病治疗。在医学上，外科医生可以通过激光器进行高精度操作，将光束集中在较小区域，从而对周围细胞组织造成较少损伤，并达到治疗目的。与传统手术相比，使用激光治疗将会减少疼痛、消除肿胀和疤痕的形成。激光医学作为现代医学重要分支，自1981年被世界卫生组织列为一门独立医学学科以来，得到快速发展，形成了激光分子生物学、激光细胞学、激光人体生理学、激光诊断学、激光治疗学、医用激光工艺学等细分学科[13]。

(1)激光美容：利用激光高能量、聚焦精确等特点，通过去除或破坏目标人体组织实现美容治疗的目的，例如激光焕肤主要利用的激光磨削技术，通过计算机精确控制，克服传统方法易出血、深度不易控制等缺点，还能够刺激皮肤弹力纤维使其收缩，进而促进表浅皱纹消失；

(2)激光切割：激光切割具有切口出血少，手术视野清晰等显著优势，目前使用的超脉冲激光可以实现人体组织的超快和低损伤切割；

(3)激光矫视：近视激光的矫正方法包括全飞秒手术、半飞秒手术和表层手术，全飞秒手术主要在角膜基质层制作透镜，具有恢复快、创伤小等优点，半飞秒手术主要采用飞秒激光制作角膜瓣，但创伤较大，表层手术则主要使用准分子激光进行角膜基质层的切削来达到矫正近视的目的，由于创伤大因而恢复时间长。

图9 激光医疗应用案例：激光美容与激光矫视

Ⅵ

激光武器应用

激光武器的发展已有30多年，其关键技术也已取得突破，美、俄、英、德、法、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验，并且低能激光武器已经投入使用，包括用于干扰和致盲较近距离的光电传感器、攻击人眼和一些增强型观测设备，而高能激光武器也已经初露锋芒，主要用于战术防空、战区反导和反卫星作战等[14]。

2023年6月，美国“勇士专家”军事网站报道：“美国空军研究实验室正在考虑为F-35型战斗机研发机载激光武器”，这一消息一经发布就引起了人们的关注。实际上，由于激光武器具有成本低、攻击力强、精度高等优势，各个国家早已开始布局激光武器领域，例如：(1)2019年12月1日,“佩列斯韦特”陆基机动式激光武器平台于俄罗斯正式服役；(2)2021年7月，法国成功应用10千瓦的中功率HELMA-P反无人机激光系统发射激光实验；(3)2022年3月，沙特采用从中国引进的“寂静狩猎者”激光武器一次性击落了13架无人机等。作为未来国防军事的颠覆性技术，激光武器也仍然面临着激光功率不足、供电热量管理等问题，在未来，技术瓶颈的先行突破及高灵活性激光武器的研发，将成为各国军备竞赛的制胜关键。

图10 激光武器的应用案例

参考文献：

[1] Einstein. A. On the Quantum Theory of Radiation, Concepts of Quantum Optics, 1983, 59(2): 93.

[2] 陈敬全，激光：20世纪科学之光，《科学》，2000，52(6): 4.

[3] Hogg. C. A, Masers and lasers, Maser-Laser, 1990.

[5] 程元丽，李思宁，王骐，激光等离子体和气体放电EUV光刻光源，《激光技术》，2004.

[9] 苏文静，胡巧，赵苗等，光存储技术发展现状及展望，《光电工程》，2019，46(3): 7.

[10] 林尊琪，激光核聚变的发展，《中国激光》，2010(9): 2202.

[11] Zhu. G. Q, Liu. Y. J, Ming. R, Cheng. M. J, Mass transfer, detection and repair technologies in micro-LED displays, Science China-Materials, 2022, 65(8): 2128.

[13] 李艳华，康志龙，胡黎明，半导体激光器在医疗领域的新应用，《激光杂志》，2010，(6): 3.

[14] Tsipis. K，汤彝君，高能激光武器，《激光与光电子学进展》，1976，12: 4.

科学编辑 | 赖寿强/陈金兰厦门大学电子科学与技术学院

编辑 | 李笑玲

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