激光武器，这种频繁见于《星球大战》《星际迷航》等科幻片的“太空时代”武器，如今走入现实。去年7月，美国军方在一次秘密试射中首度利用激光武器击落飞机，这也使激光技术再次成为公众关注的热点。

　　1960年，世界上第一台红宝石激光器在美国贝尔实验室诞生。自此，激光技术备受各国重视。世界各主要国家均将激光技术作为战略高技术发展列入国家计划：美国制定了21世纪激光科学与工程的发展规划，日本制定了光子工程发展规划，德国制定了光技术促进计划，北欧诸国制定了新概念工厂计划……我国也不例外。

　　“美国3D大片《阿凡达》，如果在激光影院中看，观众一定会感到更为震撼！”许祖彦院士如是说。从上世纪90年代起，在863计划的支持下，我国科学家开始潜心研究全固态激光显示技术。15年后，我国第一台激光显示样机诞生，正是这项技术，在2008年北京奥运会和2010年上海世博会上，赢得了国外同行的赞誉。

2010年8月，第十九届BIRTV展观众体验激光3D电影。

2010年11月，中视中科参加武汉光博会，观众排队等候入场体验激光电影。

　　全固态激光器是激光技术的重要发展方向之一。全固态激光技术的应用极其广泛，小到视网膜脱落后的治疗，大到汽车、钻井机、飞船制造过程中的切割、焊接，它都可以大显身手。近年来，我国自主研发的全固态激光器在激光显示、激光先进制造、激光医疗、微加工等关乎民生的方方面面，取得了令人瞩目的成绩。在刚刚举行的“十一五”国家重大科技成就展上，激光电视、激光数字影院、大型复杂激光放大器、工业用高功率全固态激光器、全固态激光治疗血管瘤等激光领域的重要成果，吸引了无数惊叹的目光。

　　值得一提的是，人工晶体材料的研究成果为激光技术的进步奠定了坚实的基础。25年来，863计划对我国人工晶体材料和激光器的研究给予了持续而有力的支持，从最早支持材料科学与技术研究，到同时支持材料和器件的研究，再到既支持材料、器件的研究，又支持器件的产业化，863计划见证了我国在人工晶体和激光器领域所取得的一个又一个骄人的“国际领先”，也留下了 “产、学、研、用”相结合的宝贵经验。

　　第一章 人工晶体，促进全固态激光器发展

　　我不入地狱，谁入地狱！

　　1974年，福州，全国晶体生长学术会议。

　　参会的专家学者深刻认识到：现在世界上所有的非线性人工晶体材料都是国外发现的，我们总是跟着国外走，这样下去是不行的。但当时所有晶体材料都是像贝尔实验室那样的国际顶尖的科研单位研制出来的，对于中国人是否有能力做出自己的晶体，大家都有些信心不足。当时中国科学院福建物质结构研究所的创始人卢嘉锡院士斩钉截铁地说了一句：“我不入地狱，谁入地狱！”。会后，物构所的研究人员热情高涨，决心一定要做出中国人自己的晶体材料。文革结束后，1977年陈创天被当时物构所所长卢嘉锡院士任命为非线性光学材料探索组组长，正式开始了新型非线性光学晶体材料的探索。

　　1979年，他们发现低温相偏硼酸钡（即β—BaB2O4，简称BBO）可能是一种新的非线性人工晶体。在此基础上，又经过3年的努力，终于确定BBO晶体是一种应用价值很高的紫外非线性人工晶体。

　　1986年5月，陈创天代表他的课题组和美国斯坦福大学拜尔（Byer）教授研究组共同在美国旧金山召开的激光光电子会议上作了有关我国BBO晶体非线性光学性能的报告，引起了轰动。这次会议后，BBO晶体正式被国际学术界认可为一种优秀的非线性人工晶体。两年后，他们又发明了三硼酸锂（即LiB3O5简称LBO）晶体。由于BBO、LBO晶体首先由中国科学家发明，而且性能优异，应用前景看好，因此在国际上被誉为“中国牌晶体”。

　　1986年，BBO晶体获中国科学院科技进步特等奖。1990年，LBO晶体获中国科学院发明一等奖；1991年获国家发明一等奖。BBO、LBO晶体还分别于1987、1989年获美国光电子产业界颁发的十大光电子产品奖。

　　这两种晶体作为激光频率转换晶体材料已经在激光高科技产业中得到广泛的应用，是最具有工业应用价值的三种非线性人工晶体中的两种。另一种磷酸钛氧钾KTiOPO4晶体（简称KTP）是美国杜邦公司发明的，但我国攻克了KTP晶体熔盐法关键生长技术。1986年，在山东大学蒋民华院士的主持下，KTP晶体作为我国第一个高科技产品出口到先进工业国家，是当时高技术产品“零的突破”，25年来，KTP晶体生长技术不断改进，质量提高、价格降低，使KTP晶体得到普及应用，有力地促进了中低功率激光产业的发展。

　　以光学超晶格为代表的微结构光学晶体是一种新型非线性光学材料，以这种晶体研制成的全固态激光器可以进一步拓展激光器的工作波长，在科学研究、高技术和工业应用方面发挥独特作用。南京大学闵乃本院士研究组基于光学超晶格基础研究成果，在863计划的支持下，完成了小型全固态红、绿、蓝三基色激光器和准白光激光器等样机的研制；包括光学超晶格在内的“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”的研究成果获得2006年国家自然科学一等奖。基于光学超晶格的全固态激光器有可能作为一种技术方案在激光显示、环境监测等领域获得重要的应用。此外，我国大尺寸磷酸二氢钾（KDP）等晶体的生长也满足了我国国防高科技的急需，在超大功率激光工程中获得应用。

　　先进的人工晶体要为我所用！

　　20世纪90年代初，863计划开始大力支持激光器的发展，旨在将我国人工晶体材料优势转化为激光器件优势，推动激光高技术产业的发展。从那时起，产业化成为人工晶体研究者要思考的另一个问题。

　　我国在人工晶体领域已经走在世界前沿，但如果仅靠出口晶体赚钱，非常不划算。因为晶体的发明周期太长，没有10年时间，不可能获得可供应用的新晶体。

　　“如果直接将我们用10年乃至更长时间的心血发明的晶体出口到国外，那附加值太低了。”这是蒋民华院士一贯的信念。他是我国863计划新材料领域第三任首席科学家，也是我国人工晶体产业化的先驱之一，在他的倡导下，我国人工晶体走向世界。但我们以低廉的价格出口人工晶体的同时，却以相差百倍、千倍的价格进口激光器。这样的现实使我国的人工晶体科学家开始思考怎样扭转这种不利局面，如何开创我国人工晶体和激光器发展的新面貌。#p#分页标题#e#

　　他们提出了目标——先进的人工晶体要为我所用！

　　上世纪90年代，我国逐渐开始进行人工晶体的产业化。第一块BBO晶体的报道发表于1984年，但1985年我国才有专利法。继BBO之后的LBO拥有了专利，这也是我国第一个有自主知识产权的非线性人工晶体。1990年，中国科学院福建物质结构研究所创办了国内第一家晶体公司——福晶公司。今天，福晶公司已经发展成全球最大的人工晶体材料及器件出口公司，年出口额过亿，并已成功上市。

　　在国家相关科技计划，包括863计划的支持下，在BBO、LBO晶体产业化后，陈创天院士和他的研究团队并没有停止研究的步伐。他们针对这两种晶体不能实现深紫外（指波长短于200nm）光输出的缺点，运用分子工程学方法，进一步发明了KBe2BO3F2（KBBF）晶体。这一发明弥补了BBO和LBO两种晶体不能实现深紫外倍频光输出的缺陷，从而把非线性人工晶体的转换能力推向了深紫外波段。

　　在此基础上，我国科学家和日本科学家合作首次成功研制出能量分辨率优于毫电子伏特的超高分辨率光电子能谱仪，可以说，没有KBBF晶体和棱镜耦合技术就不可能有超高分辨率光电子能谱仪，也不可能发展具有我国特色，以深紫外激光器为基础的紫外科学仪器系列及相关的高水平研究工作。

　　2009年2月，《自然》以《中国“藏匿”的晶体珍宝》为题报道了中国人工晶体的成就：“中国在KBBF晶体上的垄断地位并不是一个偶然，当其它国家的材料科学家和固体物理学家面对着一种资金匮乏，投入短缺的科研状况的时候，他们的中国同行却悄然占领了一系列广阔的材料研究领域的制高点”；“其他国家在晶体生长方面的研究目前看来是无法赶上与中国的这个差距的”。

　　在国家长期的支持下，中国的人工晶体研究厚积薄发，从模仿、跟踪到逐步走上独立自主发展功能晶体的道路，成为我国数量逐步增多、具有国际领先水平的科学研究领域之一。2010年8月参加在北京举办的第16届国际晶体生长会议的1100多位各国代表高度评价中国晶体生长的成就；这次会议是我国人工晶体全面走向世界的标志，也是我国人工晶体和激光产业结合，走向实用化产业化的新起点。

　　中国高水平的人工晶体为高水平全固态激光器的发展提供了坚实的材料基础。

　　第二章 联合协作，引发多领域技术变革

　　人类视觉史上的一次革命

　　国家“八五”计划期间，863计划开始着力支持我国全固态激光器的发展。863计划以产业需求带动技术发展为目标，重点部署了激光投影显示技术、工业激光加工系统和激光医疗设备等任务，带动5千瓦（kW）级全固态激光器件和系列化全固态激光器件及配套的人工晶体、大功率半导体量子阱材料与器件批量生产和应用技术的创新发展。

　　全固态激光技术的发展正在引发先进制造、激光显示与激光医疗等重大领域的技术变革。

　　在全固态激光应用技术的发展过程中，首先要提到的是激光显示技术。

　　从理论上来说，激光显示技术是以三基色激光作为显示光源，具有色域范围广（2倍于阴极射线管显示器、液晶的色彩再现能力）、高色饱和度、寿命长（数万小时）、环保、节能等优点，将导致显示系统综合性能的革命性提升。因此，国际显示业认为激光显示是“人类视觉史上的一次革命”。

　　纵观显示产品发展的历史，许祖彦院士提出了显示技术“黑白显示―彩色显示―数字显示―大色域显示”的发展规律，并指出激光显示技术是显示技术发展的重大方向。他与时任中国科学院长春光机所所长、现任科技部副部长的曹健林一起，组织中国科学院有关单位向国家建议发展具有自主知识产权的激光显示技术。

　　“我之所以研究激光显示技术，是源于我多年的一种纠结。”许祖彦院士微笑着娓娓道来，“总之，激光显示千好万好，但是，没看到实物，谁能保证人眼看着就一定好？所以，我下定决心要造出一台样机来，让人们观看，大家公认好看，才算是好。事实证明，激光显示器确实好，值得产业化。”

　　我国第一台激光投影显示器样机的成功研制，使得对激光显示器的评价不再停留在理论层面，而大大往前迈进了一步。

　　在国家863计划支持下，2002年9月12日，我国首次实现DPL（激光二极管泵浦激光器）白光配比和激光全色显示原理实验。2003年，我国首次实现60英寸前投式激光家庭影院原理性演示。2005年和2006年，我国又研制成功背投式激光家庭影院效果样机和140英寸、200英寸大屏幕激光投影显示系统。该系统显示出色彩艳丽、图像清晰的动态画面，整体技术达到国际先进水平，单元技术达到国际领先水平。2008年，我国研制出具有自主知识产权的高亮度激光投影产品，并成功在数字影院和北京奥运会获得商业应用，领先国际同类产品2年半的时间。2010年，我国高亮度激光投影技术输出光通量达到20000流明（lm），并通过了CE（欧盟认证）、FCC（美国联邦通讯委员会）等国际认证，在上海世博会中国馆大显身手，在产业化道路上又迈出了坚实的一步。国产激光医疗设备比进口的更好

　　863计划自2006年起，开始支持全固态连续532纳米（nm）单光源血管瘤治疗设备的研制。这是全固态激光器在医疗领域的重要应用。

　　“我们每周三的鲜红斑痣激光治疗门诊的预约病人已经排到了半年以后。去年一共做了2000多例。这么大的治疗量，之前进口的机器用了一年就不行了。现在这里的5台机器都是我国863计划研制的，5台机器同时开，每天工作10个小时，几年用下来很不错。”301医院激光医学科主任顾瑛微笑着告诉记者。301医院所用的国产机器正是“全固态激光治疗血管瘤设备”。这是我国首台具有完全自主知识产权、国际领先的全固态连续激光治疗设备，为应用首选方法——血管靶向光动力疗法治疗鲜红斑痣这种常见、多发的血管性疾病奠定了坚实的基础。

　　“全固态激光治疗血管瘤设备”不同于以往用铜蒸气激光或倍频灯泵YAG（石榴石）激光等作为光源的医用光动力治疗设备，它克服了上述激光器启动时间长、输出功率不稳定、光束质量不理想、体积庞大、能耗高、效率低、噪声大等缺点，具有高效率、高稳定性、高功率、光束质量较好、体积小、低功耗、启动快的优点。

　　高稳定性抗损伤#p#分页标题#e#光学薄膜制备技术、谐振腔设计、中央控制主机软件的设计、专家辅助决策系统以及故障模式、影响及危害性分析（FMECA）和故障树分析（FTA）等技术，解决了以往光源难以连续、稳定、均匀输出的难题，获得多项发明专利授权。

　　我国首次实现蓝绿双光源连续输出的、适于鲜红斑痣的首选治疗——血管靶向光动力疗法使用的全固态激光治疗设备，并已拥有完全自主知识产权。经测试，设备457纳米（nm）和532纳米（nm）连续光输出均达到和超过4瓦（W）和8瓦（W）指标要求，功率不稳定度均在±2%以内，是迄今为止我国首台用于鲜红斑痣治疗、大光斑连续输出的全固态激光医疗设备。

　　“全固态激光治疗血管瘤设备”的成功研制，不仅标志着由我国独创的、国际领先的血管靶向光动力疗法治疗鲜红斑痣技术配备了国际先进的、完全自主知识产权的全固态连续激光治疗设备，同时还标志着临床应用研究、光源、整机工程化研究相结合模式在先进激光医疗设备研发上的运用成功，对自主提升我国激光医疗设备整体水平具有重要意义。

　　高功率激光器关键器件国产化

　　5千瓦（kW）以上级高功率全固态激光器是当代具有代表性的先进制造技术，主要用于汽车工业、船舶工业、航空航天等行业中。在德国的奔驰、宝马等汽车生产线上，该功率级激光器也被广泛应用。

　　“十一五”之前，我国所有的高功率全固态激光器全部依赖进口，不仅价格昂贵，而且受到各种限制，阻碍了我国先进制造业的发展。“十一五”期间，在863计划的支持下，中国科学院半导体研究所和中国科学院理化技术研究所自行研制出5千瓦（kW）工业化全固态激光器并在关键器件上实现了国产化，成功满足了工业需求，并在实际中得到示范应用。

　　高功率全固态激光器可广泛应用于汽车、船舶、航空、铁路等对国民经济起举足轻重作用的材料加工领域，它的成功研制是我国高功率全固态激光器发展史上一个重要的里程碑，对尽快扭转我国在先进制造领域关键成套装备基本依靠进口的局面，全面提高我国制造业的技术创新能力、自我持续发展能力和国际竞争能力具有重要意义。

　　在全固态激光器领域，我国实现了大屏幕激光全色显示系统、5千瓦（kW）级全固态激光在工业制造中的应用、全固态激光光动力治疗系统及临床应用以及激光微熔覆设备的重大突破。

　　第三章 产业化，全固态激光器走进百姓生活

　　时不我待

　　“从‘十一五’开始，863计划的人工晶体和激光器研发打破了过去以关键技术突破为目标的组织管理方式，以具有产业化前景的应用需求为牵引，以企业为主体，引入了竞争机制，注意发挥用户的作用，突破材料与器件关键技术，打造具有自主知识产权的高技术激光产业群。”“十一五”863计划“全固态激光器及其应用”重点项目总体专家组成员毕勇研究员向记者介绍道。

　　鉴于激光显示技术对未来显示产业的重大推动作用，国家863计划新材料领域组专家对这一重大方向进行了深入研究和论证。

　　2006年，时任中国科学院光电研究院院长的曹健林指出：“显示产业是信息产业的重要组成部分，我国是显示产品的生产大国和消费大国，但由于长期缺乏自主创新的核心技术，产业发展主要依赖技术引进，使我国显示产业面临巨大的生存压力，在显示产品的升级换代中处于被动局面；激光显示技术是我国显示产业发展过程中的一个机遇，如果抓得好，不仅将改变显示产业发展的被动局面，而且还将带动人工晶体材料和激光产品的快速发展”。

　　当前激光电视正处于大规模产业化的“前夜”，开展产业化技术攻关已成为现阶段竞争的重点。日本、美国、韩国等在液晶显示和等离子显示领域已经取得领先的技术和市场地位，如今又将下一代显示技术的发展方向锁定到“激光显示技术”。“我特别着急，怕他们有一天突然推向市场，我们又得跟在人家屁股后边转。”许祖彦院士说到这里，轻轻叹了一口气。

　　为赢得产业发展的宝贵时间，2006年，曹健林在中国科学院光电研究院部署了激光显示实用化技术研究，迈出了产业化攻关的第一步。

　　手握专利

　　全固态激光器技术在国家863计划的长期支持下，已经形成了比较完整的知识产权体系和自主创新体系，是目前我国为数不多的拥有整体优势，同时也是战略必争的高技术领域。

　　当前，我国全固态激光器技术领域正处于产业化关键技术突破阶段，全固态激光器极高的应用价值以及我国在这一领域的总体优势，决定了我国在全固态激光器及其应用技术领域大有可为，有望发展成为一个高水平、高效益的新技术产业。

　　高功率全固态激光制造是先进制造领域的标志性核心技术之一。全固态激光的广泛应用，引发了多个领域的技术变革与产品升级。目前，我国正处在从加工大国向制造大国跨越的关键时期。关键成套加工设备仍然依靠进口，已成为制约我国汽车制造、机械制造、航天航空业、船舶制造业等自主发展的瓶颈。

　　通过多年研究积累，我国在激光全色显示技术领域已经拥有较完整的自主知识产权链，持有100余项专利。中国科学院光电研究院的科研团体系统地研究了激光显示的关键技术问题，自主提出了包括激光光源模组、匀场整形照明系统、消相干技术和系统集成的4大技术解决方案，形成了具有鲜明实用化特色的专利技术，努力构建完整的知识产权体系。“我们拥有的大色域激光显示核心专利，几乎覆盖了大色域激光显示技术最基础的部分。”毕勇研究员自豪地告诉记者。这些为激光显示领域实现产业化奠定了重要的基础。

　　走向市场

　　通过自主创新和系统优化集成，2006年5月7日，我国成功集成出200英寸激光投影显示工程样机，这标志我国在主流的投影式激光显示技术领域已具备产业发展的技术基础。

　　2006年7月，中国科学院光电研究院以知识产权和专有技术投资的方式，通过产研结合的模式与社会资本合资成立“北京中视中科光电技术有限公司”（以下简称“中视中科”），产研联合、优势互补，开展激光显示光源模组的研发、生产、销售业务，为电视机、投影机、放映机等终端产品生产厂家提供关键核心模组和激光显示技术整体解决方案。

　　2007年5月，中视中科在北京市永丰产业基地建成我国第一个激光显示示范基地，可满足激光显示技术核心模组研发与生产、激光显示系统集成、调试的要求，具备开展激光家庭影院和超大屏幕显示系统的集成条件。

　　2007年11月，国家科学技术部万钢部长和副部长曹健林视察该基地。万钢部长对激光显示技术、样机研制的成果和奥运应用给予了充分肯定，并指出：目前激光显示的发展更重要的是产业化问题，不仅仅要关注技术研发等前端问题，更要关注市场的应用问题，关注产品的可靠性问题，关注企业的资本运作、销售推广、服务等后端问题。#p#分页标题#e#

　　随着激光显示技术工程化工作的不断推进，中视中科先后研发成功的3000流明（lm）激光前投影产品投入了2008北京奥运工程使用，服务于科技奥运。世界首台遵循DCI国际数字电影规范的10000流明（lm）激光数字电影放映机，通过了中国计量科学研究院检测，在全球首次将激光显示技术应用于数字电影放映系统，实现了从数字院线、信源编码到激光数字放映系统技术链条的有机结合，标志着激光显示产业化已迈出扎实的第一步。

　　生物医疗激光设备事关人民群众的健康生活，在我国已形成数十亿元的新产业，并保持了极高的增长率。目前激光医学在临床应用中主要分为：光动力治疗、强激光治疗和弱激光治疗三类。具有精确选择作用特点的光动力治疗是当前研究最为活跃、发展最为迅速的激光医疗技术，主要在微血管疾病治疗方面有重大突破。

　　强激光治疗技术是目前临床应用最广泛，最成熟、需求最大的激光医疗技术。激光技术是治疗前列腺增生的首选方案，美国率先研制出灯泵大功率532纳米（nm）激光治疗设备。而我国全固态倍频YAG激光器已具备上述设备的技术参数要求，加上全固态激光所固有的优点，特别是其在可见光波段稳定高功率的连续输出，正适于发展优于国外现有产品的激光治疗设备，将我国在全固态激光上的研究优势转化为激光医疗应用和产业优势。

　　以高功率激光器作为光源，沈阳新松机器人有限公司、武汉楚天激光集团有限公司等厂商实现激光焊接、切割、打孔、精密雕刻、熔覆、合金化、淬火、冲击硬化等材料处理，主要应用于汽车、铁路、航空航天、石油、化工、矿山、冶金、船舶等重工业领域。

　　激光微纳制造技术使超短波长、超快脉冲全固态激光技术与精密加工机床和数控系统相结合并拓展至微纳制造领域，将成为取代电子制造信息业中一些传统工艺方法的有力竞争者；激光显示技术是显示技术的重大发展方向，是大色域全色显示技术的代表；激光医疗技术事关人民群众的健康生活，激光光动力治疗和激光前列腺治疗的高效和便捷，可为我国广大患者带来福音。

　　这些应用技术还具有综合技术集成的特点，可带动相关关键技术领域的跨越式发展，形成新的高新技术产业群，获得更大的经济效益。

　　在“十二五”期间，人工晶体和激光器产业将在原有优势领域继续集中力量，确保领先地位；同时，在优势关联领域加强力量，延伸已有优势；在应用技术领域加大支持力度，转化研究优势。

　　“十二五”期间，863计划将以国家重大发展战略为导向，市场需求为牵引，核心技术突破为重点，以激光器件技术开发突破带动上游的晶体材料和下游的产业化应用技术链的整体贯穿、平衡发展，将现有的技术优势转化为产品和产业优势，推动以全固态激光技术为基础的产业群发展，产生应有的经济效益和社会效益。