1960年，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生。自此，激光技術(shù)備受各國重視。世界各主要國家均將激光技術(shù)作為戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展列入國家計(jì)劃：美國制定了21世紀(jì)激光科學(xué)與工程的發(fā)展規(guī)劃，日本制定了光子工程發(fā)展規(guī)劃，德國制定了光技術(shù)促進(jìn)計(jì)劃，北歐諸國制定了新概念工廠計(jì)劃……我國也不例外。
“美國3D大片《阿凡達(dá)》，如果在激光影院中看，觀眾一定會(huì)感到更為震撼！”許祖彥院士如是說。從上世紀(jì)90年代起，在863計(jì)劃的支持下，我國科學(xué)家開始潛心研究全固態(tài)激光顯示技術(shù)。15年后，我國第一臺(tái)激光顯示樣機(jī)誕生，正是這項(xiàng)技術(shù)，在2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)上，贏得了國外同行的贊譽(yù)。
2010年8月，第十九屆BIRTV展觀眾體驗(yàn)激光3D電影。
2010年11月，中視中科參加武漢光博會(huì)，觀眾排隊(duì)等候入場(chǎng)體驗(yàn)激光電影。
全固態(tài)激光器是激光技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。全固態(tài)激光技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛，小到視網(wǎng)膜脫落后的治療，大到汽車、鉆井機(jī)、飛船制造過程中的切割、焊接，它都可以大顯身手。近年來，我國自主研發(fā)的全固態(tài)激光器在激光顯示、激光先進(jìn)制造、激光醫(yī)療、微加工等關(guān)乎民生的方方面面，取得了令人矚目的成績(jī)。在剛剛舉行的“十一五”國家重大科技成就展上，激光電視、激光數(shù)字影院、大型復(fù)雜激光放大器、工業(yè)用高功率全固態(tài)激光器、全固態(tài)激光治療血管瘤等激光領(lǐng)域的重要成果，吸引了無數(shù)驚嘆的目光。
值得一提的是，人工晶體材料的研究成果為激光技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。25年來，863計(jì)劃對(duì)我國人工晶體材料和激光器的研究給予了持續(xù)而有力的支持，從最早支持材料科學(xué)與技術(shù)研究，到同時(shí)支持材料和器件的研究，再到既支持材料、器件的研究，又支持器件的產(chǎn)業(yè)化，863計(jì)劃見證了我國在人工晶體和激光器領(lǐng)域所取得的一個(gè)又一個(gè)驕人的“國際領(lǐng)先”，也留下了 “產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
第一章 人工晶體，促進(jìn)全固態(tài)激光器發(fā)展
我不入地獄，誰入地獄！
1974年，福州，全國晶體生長學(xué)術(shù)會(huì)議。
參會(huì)的專家學(xué)者深刻認(rèn)識(shí)到：現(xiàn)在世界上所有的非線性人工晶體材料都是國外發(fā)現(xiàn)的，我們總是跟著國外走，這樣下去是不行的。但當(dāng)時(shí)所有晶體材料都是像貝爾實(shí)驗(yàn)室那樣的國際頂尖的科研單位研制出來的，對(duì)于中國人是否有能力做出自己的晶體，大家都有些信心不足。當(dāng)時(shí)中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的創(chuàng)始人盧嘉錫院士斬釘截鐵地說了一句：“我不入地獄，誰入地獄！”。會(huì)后，物構(gòu)所的研究人員熱情高漲，決心一定要做出中國人自己的晶體材料。文革結(jié)束后，1977年陳創(chuàng)天被當(dāng)時(shí)物構(gòu)所所長盧嘉錫院士任命為非線性光學(xué)材料探索組組長，正式開始了新型非線性光學(xué)晶體材料的探索。
1979年，他們發(fā)現(xiàn)低溫相偏硼酸鋇（即β—BaB2O4，簡(jiǎn)稱BBO）可能是一種新的非線性人工晶體。在此基礎(chǔ)上，又經(jīng)過3年的努力，終于確定BBO晶體是一種應(yīng)用價(jià)值很高的紫外非線性人工晶體。
1986年5月，陳創(chuàng)天代表他的課題組和美國斯坦福大學(xué)拜爾（Byer）教授研究組共同在美國舊金山召開的激光光電子會(huì)議上作了有關(guān)我國BBO晶體非線性光學(xué)性能的報(bào)告，引起了轟動(dòng)。這次會(huì)議后，BBO晶體正式被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)可為一種優(yōu)秀的非線性人工晶體。兩年后，他們又發(fā)明了三硼酸鋰（即LiB3O5簡(jiǎn)稱LBO）晶體。由于BBO、LBO晶體首先由中國科學(xué)家發(fā)明，而且性能優(yōu)異，應(yīng)用前景看好，因此在國際上被譽(yù)為“中國牌晶體”。
1986年，BBO晶體獲中國科學(xué)院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。1990年，LBO晶體獲中國科學(xué)院發(fā)明一等獎(jiǎng)；1991年獲國家發(fā)明一等獎(jiǎng)。BBO、LBO晶體還分別于1987、1989年獲美國光電子產(chǎn)業(yè)界頒發(fā)的十大光電子產(chǎn)品獎(jiǎng)。
這兩種晶體作為激光頻率轉(zhuǎn)換晶體材料已經(jīng)在激光高科技產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，是最具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的三種非線性人工晶體中的兩種。另一種磷酸鈦氧鉀KTiOPO4晶體（簡(jiǎn)稱KTP）是美國杜邦公司發(fā)明的，但我國攻克了KTP晶體熔鹽法關(guān)鍵生長技術(shù)。1986年，在山東大學(xué)蔣民華院士的主持下，KTP晶體作為我國第一個(gè)高科技產(chǎn)品出口到先進(jìn)工業(yè)國家，是當(dāng)時(shí)高技術(shù)產(chǎn)品“零的突破”，25年來，KTP晶體生長技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量提高、價(jià)格降低，使KTP晶體得到普及應(yīng)用，有力地促進(jìn)了中低功率激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
以光學(xué)超晶格為代表的微結(jié)構(gòu)光學(xué)晶體是一種新型非線性光學(xué)材料，以這種晶體研制成的全固態(tài)激光器可以進(jìn)一步拓展激光器的工作波長，在科學(xué)研究、高技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用方面發(fā)揮獨(dú)特作用。南京大學(xué)閔乃本院士研究組基于光學(xué)超晶格基礎(chǔ)研究成果，在863計(jì)劃的支持下，完成了小型全固態(tài)紅、綠、藍(lán)三基色激光器和準(zhǔn)白光激光器等樣機(jī)的研制；包括光學(xué)超晶格在內(nèi)的“介電體超晶格材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用”的研究成果獲得2006年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)?；诠鈱W(xué)超晶格的全固態(tài)激光器有可能作為一種技術(shù)方案在激光顯示、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。此外，我國大尺寸磷酸二氫鉀（KDP）等晶體的生長也滿足了我國國防高科技的急需，在超大功率激光工程中獲得應(yīng)用。
先進(jìn)的人工晶體要為我所用！
20世紀(jì)90年代初，863計(jì)劃開始大力支持激光器的發(fā)展，旨在將我國人工晶體材料優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為激光器件優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)激光高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從那時(shí)起，產(chǎn)業(yè)化成為人工晶體研究者要思考的另一個(gè)問題。
我國在人工晶體領(lǐng)域已經(jīng)走在世界前沿，但如果僅靠出口晶體賺錢，非常不劃算。因?yàn)榫w的發(fā)明周期太長，沒有10年時(shí)間，不可能獲得可供應(yīng)用的新晶體。
“如果直接將我們用10年乃至更長時(shí)間的心血發(fā)明的晶體出口到國外，那附加值太低了。”這是蔣民華院士一貫的信念。他是我國863計(jì)劃新材料領(lǐng)域第三任首席科學(xué)家，也是我國人工晶體產(chǎn)業(yè)化的先驅(qū)之一，在他的倡導(dǎo)下，我國人工晶體走向世界。但我們以低廉的價(jià)格出口人工晶體的同時(shí)，卻以相差百倍、千倍的價(jià)格進(jìn)口激光器。這樣的現(xiàn)實(shí)使我國的人工晶體科學(xué)家開始思考怎樣扭轉(zhuǎn)這種不利局面，如何開創(chuàng)我國人工晶體和激光器發(fā)展的新面貌。
他們提出了目標(biāo)——先進(jìn)的人工晶體要為我所用！
上世紀(jì)90年代，我國逐漸開始進(jìn)行人工晶體的產(chǎn)業(yè)化。第一塊BBO晶體的報(bào)道發(fā)表于1984年，但1985年我國才有專利法。繼BBO之后的LBO擁有了專利，這也是我國第一個(gè)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非線性人工晶體。1990年，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所創(chuàng)辦了國內(nèi)第一家晶體公司——福晶公司。今天，福晶公司已經(jīng)發(fā)展成全球最大的人工晶體材料及器件出口公司，年出口額過億，并已成功上市。
在國家相關(guān)科技計(jì)劃，包括863計(jì)劃的支持下，在BBO、LBO晶體產(chǎn)業(yè)化后，陳創(chuàng)天院士和他的研究團(tuán)隊(duì)并沒有停止研究的步伐。他們針對(duì)這兩種晶體不能實(shí)現(xiàn)深紫外（指波長短于200nm）光輸出的缺點(diǎn)，運(yùn)用分子工程學(xué)方法，進(jìn)一步發(fā)明了KBe2BO3F2（KBBF）晶體。這一發(fā)明彌補(bǔ)了BBO和LBO兩種晶體不能實(shí)現(xiàn)深紫外倍頻光輸出的缺陷，從而把非線性人工晶體的轉(zhuǎn)換能力推向了深紫外波段。#p#分頁標(biāo)題#e#
在此基礎(chǔ)上，我國科學(xué)家和日本科學(xué)家合作首次成功研制出能量分辨率優(yōu)于毫電子伏特的超高分辨率光電子能譜儀，可以說，沒有KBBF晶體和棱鏡耦合技術(shù)就不可能有超高分辨率光電子能譜儀，也不可能發(fā)展具有我國特色，以深紫外激光器為基礎(chǔ)的紫外科學(xué)儀器系列及相關(guān)的高水平研究工作。
2009年2月，《自然》以《中國“藏匿”的晶體珍寶》為題報(bào)道了中國人工晶體的成就：“中國在KBBF晶體上的壟斷地位并不是一個(gè)偶然，當(dāng)其它國家的材料科學(xué)家和固體物理學(xué)家面對(duì)著一種資金匱乏，投入短缺的科研狀況的時(shí)候，他們的中國同行卻悄然占領(lǐng)了一系列廣闊的材料研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)”；“其他國家在晶體生長方面的研究目前看來是無法趕上與中國的這個(gè)差距的”。
在國家長期的支持下，中國的人工晶體研究厚積薄發(fā)，從模仿、跟蹤到逐步走上獨(dú)立自主發(fā)展功能晶體的道路，成為我國數(shù)量逐步增多、具有國際領(lǐng)先水平的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。2010年8月參加在北京舉辦的第16屆國際晶體生長會(huì)議的1100多位各國代表高度評(píng)價(jià)中國晶體生長的成就；這次會(huì)議是我國人工晶體全面走向世界的標(biāo)志，也是我國人工晶體和激光產(chǎn)業(yè)結(jié)合，走向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化的新起點(diǎn)。
中國高水平的人工晶體為高水平全固態(tài)激光器的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。
第二章 聯(lián)合協(xié)作，引發(fā)多領(lǐng)域技術(shù)變革
人類視覺史上的一次革命
國家“八五”計(jì)劃期間，863計(jì)劃開始著力支持我國全固態(tài)激光器的發(fā)展。863計(jì)劃以產(chǎn)業(yè)需求帶動(dòng)技術(shù)發(fā)展為目標(biāo)，重點(diǎn)部署了激光投影顯示技術(shù)、工業(yè)激光加工系統(tǒng)和激光醫(yī)療設(shè)備等任務(wù)，帶動(dòng)5千瓦（kW）級(jí)全固態(tài)激光器件和系列化全固態(tài)激光器件及配套的人工晶體、大功率半導(dǎo)體量子阱材料與器件批量生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
全固態(tài)激光技術(shù)的發(fā)展正在引發(fā)先進(jìn)制造、激光顯示與激光醫(yī)療等重大領(lǐng)域的技術(shù)變革。
在全固態(tài)激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展過程中，首先要提到的是激光顯示技術(shù)。
從理論上來說，激光顯示技術(shù)是以三基色激光作為顯示光源，具有色域范圍廣（2倍于陰極射線管顯示器、液晶的色彩再現(xiàn)能力）、高色飽和度、壽命長（數(shù)萬小時(shí)）、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，將導(dǎo)致顯示系統(tǒng)綜合性能的革命性提升。因此，國際顯示業(yè)認(rèn)為激光顯示是“人類視覺史上的一次革命”。
縱觀顯示產(chǎn)品發(fā)展的歷史，許祖彥院士提出了顯示技術(shù)“黑白顯示―彩色顯示―數(shù)字顯示―大色域顯示”的發(fā)展規(guī)律，并指出激光顯示技術(shù)是顯示技術(shù)發(fā)展的重大方向。他與時(shí)任中國科學(xué)院長春光機(jī)所所長、現(xiàn)任科技部副部長的曹健林一起，組織中國科學(xué)院有關(guān)單位向國家建議發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光顯示技術(shù)。
“我之所以研究激光顯示技術(shù)，是源于我多年的一種糾結(jié)。”許祖彥院士微笑著娓娓道來，“總之，激光顯示千好萬好，但是，沒看到實(shí)物，誰能保證人眼看著就一定好？所以，我下定決心要造出一臺(tái)樣機(jī)來，讓人們觀看，大家公認(rèn)好看，才算是好。事實(shí)證明，激光顯示器確實(shí)好，值得產(chǎn)業(yè)化。”
我國第一臺(tái)激光投影顯示器樣機(jī)的成功研制，使得對(duì)激光顯示器的評(píng)價(jià)不再停留在理論層面，而大大往前邁進(jìn)了一步。
在國家863計(jì)劃支持下，2002年9月12日，我國首次實(shí)現(xiàn)DPL（激光二極管泵浦激光器）白光配比和激光全色顯示原理實(shí)驗(yàn)。2003年，我國首次實(shí)現(xiàn)60英寸前投式激光家庭影院原理性演示。2005年和2006年，我國又研制成功背投式激光家庭影院效果樣機(jī)和140英寸、200英寸大屏幕激光投影顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)顯示出色彩艷麗、圖像清晰的動(dòng)態(tài)畫面，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，單元技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2008年，我國研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高亮度激光投影產(chǎn)品，并成功在數(shù)字影院和北京奧運(yùn)會(huì)獲得商業(yè)應(yīng)用，領(lǐng)先國際同類產(chǎn)品2年半的時(shí)間。2010年，我國高亮度激光投影技術(shù)輸出光通量達(dá)到20000流明（lm），并通過了CE（歐盟認(rèn)證）、FCC（美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)）等國際認(rèn)證，在上海世博會(huì)中國館大顯身手，在產(chǎn)業(yè)化道路上又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
國產(chǎn)激光醫(yī)療設(shè)備比進(jìn)口的更好
863計(jì)劃自2006年起，開始支持全固態(tài)連續(xù)532納米（nm）單光源血管瘤治療設(shè)備的研制。這是全固態(tài)激光器在醫(yī)療領(lǐng)域的重要應(yīng)用。
“我們每周三的鮮紅斑痣激光治療門診的預(yù)約病人已經(jīng)排到了半年以后。去年一共做了2000多例。這么大的治療量，之前進(jìn)口的機(jī)器用了一年就不行了?，F(xiàn)在這里的5臺(tái)機(jī)器都是我國863計(jì)劃研制的，5臺(tái)機(jī)器同時(shí)開，每天工作10個(gè)小時(shí)，幾年用下來很不錯(cuò)。”301醫(yī)院激光醫(yī)學(xué)科主任顧瑛微笑著告訴記者。301醫(yī)院所用的國產(chǎn)機(jī)器正是“全固態(tài)激光治療血管瘤設(shè)備”。這是我國首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先的全固態(tài)連續(xù)激光治療設(shè)備，為應(yīng)用首選方法——血管靶向光動(dòng)力療法治療鮮紅斑痣這種常見、多發(fā)的血管性疾病奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“全固態(tài)激光治療血管瘤設(shè)備”不同于以往用銅蒸氣激光或倍頻燈泵YAG（石榴石）激光等作為光源的醫(yī)用光動(dòng)力治療設(shè)備，它克服了上述激光器啟動(dòng)時(shí)間長、輸出功率不穩(wěn)定、光束質(zhì)量不理想、體積龐大、能耗高、效率低、噪聲大等缺點(diǎn)，具有高效率、高穩(wěn)定性、高功率、光束質(zhì)量較好、體積小、低功耗、啟動(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)。
高穩(wěn)定性抗損傷光學(xué)薄膜制備技術(shù)、諧振腔設(shè)計(jì)、中央控制主機(jī)軟件的設(shè)計(jì)、專家輔助決策系統(tǒng)以及故障模式、影響及危害性分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）等技術(shù)，解決了以往光源難以連續(xù)、穩(wěn)定、均勻輸出的難題，獲得多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)。
我國首次實(shí)現(xiàn)藍(lán)綠雙光源連續(xù)輸出的、適于鮮紅斑痣的首選治療——血管靶向光動(dòng)力療法使用的全固態(tài)激光治療設(shè)備，并已擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)備457納米（nm）和532納米（nm）連續(xù)光輸出均達(dá)到和超過4瓦（W）和8瓦（W）指標(biāo)要求，功率不穩(wěn)定度均在±2%以內(nèi)，是迄今為止我國首臺(tái)用于鮮紅斑痣治療、大光斑連續(xù)輸出的全固態(tài)激光醫(yī)療設(shè)備。
“全固態(tài)激光治療血管瘤設(shè)備”的成功研制，不僅標(biāo)志著由我國獨(dú)創(chuàng)的、國際領(lǐng)先的血管靶向光動(dòng)力療法治療鮮紅斑痣技術(shù)配備了國際先進(jìn)的、完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全固態(tài)連續(xù)激光治療設(shè)備，同時(shí)還標(biāo)志著臨床應(yīng)用研究、光源、整機(jī)工程化研究相結(jié)合模式在先進(jìn)激光醫(yī)療設(shè)備研發(fā)上的運(yùn)用成功，對(duì)自主提升我國激光醫(yī)療設(shè)備整體水平具有重要意義。
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