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高端访谈

杜祥琬院士:激光技术如何为科技强国再做贡献

激光制造网 来源:科技创新资讯平台2021-05-06 我要评论(0 )   

作者:杜祥琬,中国工程院院士  习近平总书记在全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会提...

作者:杜祥琬,中国工程院院士

  习近平总书记在全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会提出,我国要成为世界科技强国。这个宏伟目标是中国人民的百年夙愿,也是先贤先烈们的血染宏图,这一目标的实现将是中华民族永垂青史的百年伟业。

  

  杜祥琬院士

  历史的发展正在从速度型、数量型向质量型、效益型转型。为此,必须培育新的发展动能,摆脱对粗放发展路径的依赖。这个新动能的核心就是创新驱动,这对科技工作者提出了更高的要求, 也是科技界应有的使命担当。

  2020 年是激光发明60 周年,这是20 世纪最重大的科学技术成就之一。激光技术已经发挥了一系列颠覆性的作用,激光技术也是典型的军民两用技术。

  今天,激光技术继续推动着前沿基础学科的发展,并且为人类提供新的工具、新的装备,孕育新的产业,已成为国家创新能力和核心竞争力的关键之一。

  激光制造为科技强国起到不可替代作用

  基础科学是科技强国之根,激光的发明正是物理学基础研究的新突破、新发展。激光技术出现后又提供了崭新的手段,促进了基础科学的发展。

  20 世纪初,年轻的爱因斯坦先后提出了光量子概念和受激辐射的概念。1954 年,第一台微波激射器研制成功;1958 年美国科学家汤斯和肖洛、苏联科学家普罗霍洛夫和巴索夫,分别独立提出了激光的概念和理论设计。

  1960 年美国休斯飞机公司实验室的梅曼率先研制了全球第一台激光器,也是世界上第一台的红宝石激光器,这成为人们掌握受激辐射、激光的标志。从此,激光从物理学基础性、探索性的研究大踏步地走向了更多新科学的探索、大批新技术的开发和工程的应用。

  激光能达到很高的功率,拥有很广的光谱范围、很宽的时域特性。这些极致性能,首先丰富了激光家族的内涵。激光器家族一开始发展的就是红宝石,后来向极短和极长两个不同的波长方向,以及单频和宽谱两个方向发展;在时域方面, 超短、超快激光发展很迅速;在能量域上,激光光源向高亮度、大功率,甚至高能量输出等几个方向发展。

  各种类型激光器如雨后春笋般发展起来。激光能够创造极致的实验室环境条件,推动着物质科学的迁延性和基础性研究。X 射线波段的自由电子激光,名为XFEL。作为新一代的探针光, XFEL 能够深入物质的内部,实时观测甚至操控分子、原子、电子甚至原子核的状态。

  高亮度激光是研究原子冷却、凝聚态物理的得力工具,而超强超短激光的研究受到了人们的重视,它可以创造宇宙极端的条件和现象。比如恒星内部和黑洞边缘才有这种超功率密度、超强的电磁强度等物理特性,这样使得我们很难达到的超新星爆发、黑洞等一些宇宙大事件的研究, 有可能在实验室进行,为人类未来提供某些新的知识。

  激光对于化学科学、生命科学、地球科学、天体物理的基础性研究,也是得力的工具。比如激光核聚变的激光分离同位素研究已经在进行, 这是激光技术独特的应用。这些只是点到为止, 激光的应用实在是比较多的。50 多年来,与激光有关的诺贝尔奖共计十四项。

  在激光发明之初,我个人认为有两项很值得称道的、由中国科学家作出的贡献。1960 年美国梅曼研制了第一台激光器,1961 年中科院长春光激所也创制了自己的第一台激光器——我用创制这个词是因为中国第一台激光器并不是梅曼的那种,我们并不是重复而是创制了第一台激光器。

  第二件就是我国家著名物理学家王淦昌先生,在1964 年提出了利用激光引发核聚变的思想, 这一想法提出来的时间相当早。

  科技强国的标志之一是制造强国。制造业一定要具有先进性,而激光制造作为新型、绿色、低碳的制造技术,将为制造强国起到不可替代的作用。

  激光制造为什么能起到这样的作用?因为它具备高能量密度聚焦、容易操作、高柔性,高效率、高质量和广泛适用性等突出特点,所以被称为万能的加工工具。激光已成为制造业转型升级的战略性支撑技术,制造的产值规模已经占到激光应用产业的30% 以上,显著提升了制造业的技术水平,并且推动了工业智能化的进程。比如我们都离不开的手机,其中90% 的零部件都由激光加工再完成。

  激光制造与再制造领域主要包括激光去除与连接、激光表面工程、激光增材制造、激光修复和再制造等。激光制造产业发展的显著特点就是专业化分工越来越细,形成了一个完善的产业链, 和其他的制造技术相结合开拓更多的应用。

  

  科学技术要为百姓造福

  激光技术已不仅仅是实验室的“高、大、上”, 它已经进入民生领域,成为老百姓健康造福的重要手段。

  比如激光技术已经成为医疗领域新的一种技术手段,包括激光诊断和激光治疗两大方面,新方法则是激光医学。激光医学深化了基础医学的研究, 也涉及各种性能的激光与人体相互作用的机理、效应、动态图像监测,以及成像及光学参量的精准调控、微纳激光的生物相容性、可降解性等。

  激光诊断是目前临床医学诊断技术的重要组成部分,凭借激光的非侵入性、高分辨率和丰富的对比机制,激光诊断已经成为满足临床诊治发展的重要趋势。比如激光治疗近视眼、激光美容、强激光治疗、弱激光治疗、光动力治疗等,治疗范围几乎涵盖了全部临床科室的320 多种疾病, 而且正以它的精准性、微创性、无创性为突破方向, 引领医学治疗模式的进步。

  激光监测技术能显著提高医学监测技术的精准性和效率,也推动着医学监测设备往精准化、智能化方向发展。基于上述几个方面的技术,激光医疗正发展为一个大的产业,随着人民生活品质的提高,产业规模还会不断扩大。

  激光技术还能应用于测距、成像、指向、制导、通讯及对抗等,在改善装备性能的同时,也在一定意义上改变着战争的面貌。古代人就幻想过“死光”,而随着激光的出现,它正逐步走向现实。特别是高能激光正在进入装备研发领域,它在军民融合的天然本性可以用于公安、救灾,比如激光灭蝗虫、激光除冰等领域。

  激光军民融合的研究有力带动着许多光学分支学科的发展,比如量子光学、强光光学、非球面光学、大气光学、自适应光学、光学材料、瞬态光学、纳导星技术等,各种应用催生了多种激光产业,带来了巨大的经济和社会效益,2018 年我国激光产值超过2500 亿元。

  由以上几个方面可以看出来,激光技术的发展具有全局性和战略性,是科技强国不可或缺的核心关键技术领域和战略性新兴产业。

  激光技术需要“补短板”

  当前我国激光技术的总体水平在不断提高, 中低端的激光制造是我国的强项,但是高端的研发跟随型产品还比较多。现在正在加紧努力研发, 部分技术已经达到国际先进甚至领先的水平。

  但是,为了更好地建设科技强国,我国的激光科技还需要“补短板”。

  首先,基础研究还比较弱,原始创新比较少。比如激光器的新类型多半都是跟着国外出来的技术在做,新概念、新材料、新体制等都是由国外提出的比较多,这是创新能力比较差的表现。

  第二是关键共性技术研发,创新体系尚未建立,成果共享和推广应用机制也有待完善。激光器件在仪器方面的研制能力差距比较明显,国产器件的性能也有差距。

  产学研协同创新不够,研究成果对产业的转化和支撑不够。激光制造标准体系不健全, 激光医疗产业集中度不高,而且主要集中在中低端产品上。产业发展政策有待改进,比如医疗器械的注册和认证法规导致前期的研发、检测认证、临床及审批成本很高。

  激光技术的研发是“硬碰硬”,达到一定的指标才能实现一定的应用。这个是假不了的,出不来就是出不来。正是这样的硬科研才经得起时间的检验,几十年来激光领域的实践锻炼成长了几代人才,我特别高兴的是现在的年轻人才在不断成长。

  高水平的科研必然要克服重重困难,需要一种为实现科技强国伟大目标坚持奋斗的精神动力。精神支柱是发展的灵魂,精神力量是推动事业发展的强大动力。

  

  精神建设是科技强国的文化保障

  现在很多地方在鼓励“名利”,我认为“名利”应该是科技成果价值的体现,是正常管理制度产生的结果,而不是研究者自己可靠的内生动力。科技史上高水平的创新常常都是非功利追求的结果,我觉得这一点大家可以讨论。

  在激光领域,科技工作者不仅要有优秀的科技素质,还要有强烈的事业心、责任感和坚韧不拔的奋斗精神,远离浮躁、甘于寂寞、科学求实、锐意创新是科技工作者的重要品格。

  我要强调一下精神建设,未来技术也好、颠覆性技术也好,都不纯粹是个技术问题,必须重视精神建设,这是我们科技队伍建设的灵魂,也是建设科技强国的文化保障。

  正像习近平总书记一再强调“两弹一星”精神是非常重要的,我们工程物理研究院也凝练了“两弹一星”的文化,就是这十个字——“铸国防基石、做民族脊梁”。

  有人问“民族脊梁”指的是什么意思,是不是某些人是民族脊梁?是不是某种武器叫民族脊梁?我觉得都不是,所谓“民族脊梁”指的是一种精神。

  从“两弹一星”到“863 计划”,科学精神始终一以贯之。关于科学精神我也概括了三条, 第一是求真,就是科学一定要是真的、科学技术一定要是真的,这是科学技术的核心。因为现在确实有些假东西,这一条首先是基本的,中国和外国都如此,要搞科学就要求真。

  第二是创新,这是科学精神的特征。从事科学技术主要就是要搞创新,中国科学家精神的灵魂就是家国家情怀、使命担当,这些跟我们国家上百年的经历很有关系,这也是“两弹一星”精神非常重要的灵魂。

  这种精神文化是一种软实力,也是一种非常硬的软实力,是物质不可替代的。在价值观多样化的今天,完成和弘扬这种精神,用于武装一代又一代的青年工作者是意义深远的基本建设,是实现科技强国这一新国家目标的精神长城。

  激光技术正进入第二个60 年,前景广阔,趣味无穷,呼唤有志青年朋友们壮大这个团队,再接再厉,贡献自己的智慧和力量。

  ( 据“第二届未来 技术与颠覆性创新国际大会”报告整理,未经报告人审核)


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