姜会林、许祖彦两位院士带你看光学工程领域大事！

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2018年12月发布的《蓝皮书2017》由中国工程院40余位院士、300余位专家倾力打造，共分13个学科领域组，中国信息与电子工程科技发展战略研究中心统筹出版工作，《蓝皮书》光学工程领域篇由中国工程院姜会林院士、许祖彦院士组织编写。

本文以两位院士对编写《蓝皮书》光学工程领域的寄语为开篇，全面介绍世界技术趋势与我国在该领域内的成果和进展，并总结出“我国光学工程五大亮点”与“光学工程年度热词”，现与大家分享。

图中由左自右为许祖彦院士、姜会林院士

文章仅供参考，观点不代表本机构立场。

 院士寄语         

一、全球光学工程发展态势

激光的技术、产业及应用持续迅猛发展，光学工程多个方向发展前景广阔。激光技术一直是光学工程领域科研与产业化的主体，近年来激光器在功率、脉宽等性能上不断提高，另一方面也产生了多种诸如利用CMOS工艺制造的纳米激光器、分布反馈式激光器。激光的应用也在不断扩展，最典型的进步是在石墨烯制造工艺方面获得了多项新发现，为石墨烯的批量生产提供了多种技术途径。全球激光行业技术、产业、应用等持续迅猛发展，全年市场销售额度比上一年度增长近20%。

光子芯片研究2017年也取得了显著的成就，多款光子芯片被研制出来，在与普通CPU以及人脑的对比中显现出了极大的优势，未来改变计算与网络构架的趋势明显。

太赫兹波段是介乎于远红外与毫米波之间，具有“光”的属性，因此太赫兹也是光学工程领域重要研究内容，太赫兹技术作为能“改变未来世界”的朝阳产业一直受各国科研人员的重视，在发射器、探测器（吸收器）、调制器等方面均取得重要成果。太赫兹雷达已经被研制出来、太赫兹安检仪已经得到应用，太赫兹通信已初见端倪，未来前景依旧被看好。

新材料不断被发现与应用，推动着电子产品的进步，并一直在改变人们的日常生活与工作方式，未来机器人的“皮肤”和可自愈屏幕成为可能；先进光学制造继续向多极化发展，E-ELT（欧洲极大望远镜）的口径将达到42m，高精度的衍射光栅口径也达到了米量级，最先进的NA1.35投影物镜面形误差已优于0.3nm（RMS），高频粗糙度可达到0.1nm（RMS）；2017年8月世界多国联合探测、跟踪、观测引力波，为引力波探测实验提供了重要的天文佐证，同时也标志着人类进入引力波天文学探索时代。

二、我国光学技术发展现状

基础研究与应用研究齐头并进，光学工程创新成果不断涌现。

我国在强激光技术领域处于世界前沿，成功实现了10PW激光放大输出，“神光Ⅱ”飞秒拍瓦级激光装置研究也取得重要进展，多家科研院校已可制造万瓦级功率输出的光纤激光器，与世界领先水平的差距不断缩小；此外我国还研制出线宽最窄的调Q光纤激光脉冲，最短脉宽的过渡金属硫化物全光纤锁模激光器等。其他基础性重大科研项目同样获得重要进展：国内首台高重复频率高占空比的太赫兹谐振腔型自由电子激光器首次观测到太赫兹饱和出光，极紫外自由电子光源装置发出世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲。

我国科研人员对太赫兹技术的研究几乎覆盖了太赫兹领域的方方面面，2017年从基础研究、单个发射器、探测器、调制器到系统及整合应用都有重要进展，一些科研成果世界瞩目。太赫兹技术论文发布数量，我国已经达到世界较为领先的地位，国产太赫兹安检仪已用于重要会议，我国16家企业或单位联合成立了太赫兹产业标准联盟，形成了“产、学、研”的有机结合。

光学极端制造平台建设成果显著，完成了地基2m口径反射镜高精度制造技术突破与验证，“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项取得了重大突破。显微镜领域同样出现多项重要研究成果。

三、我国光学技术发展重点与展望

发展重点：打造光学重大平台支持基础研究，加强引领技术研究促进产业发展。

• 随着以强激光装置、太赫兹自由电子激光装置、极紫外自由电子光源装置等为代表的重大基础科研平台的依次建成与应用，以此类平台为手段的基础研究项目将取得进展；

• 我国大口径光学制造、超精密光学技术，光刻技术、微纳光学制造，综合性精密极端激光全过程高效制造等领域将不断取得突破；

• 在光子芯片技术方面，我国将紧跟甚至引领技术潮流，将来会逐渐摆脱对国外芯片的依赖，并推动计算机技术的快速发展；

• 随着太赫兹光源、调制器、探测器等太赫兹核心器件的相继研发与不断成熟，我国将不断产生太赫兹雷达、太赫兹通信机等新技术、新设备，便利人们的生活、为我国国防提供新手段，为社会经济增长提供新的增长点；

• 随着我国军民融合产业的不断发展，未来私营企业研制的空间光学载荷技术将进一步发展，在遥感领域占有一席之地，在防灾减灾、农林监测、国土资源等领域发挥重要的作用。

我国光学工程未来发展展望

• 以重大物理平台为手段的基础科学研究将取得进展；光学极端制造技术将进一步发展；光子芯片技术紧跟甚至引领技术潮流；太赫兹技术将在多领域获得应用；私营企业的空间光学载荷技术将快速发展。

四、我国光学工程五大亮点

1. 自由曲面精密检测加工技术

在加工领域，2017年中科院光电技术研究所在光学自由曲面机器人加工技术领域取得进展，建成了1m级的大口径光学自由曲面机器人加工平台，掌握了微晶、熔石英、SiC材料的自由曲面、离轴非球面光学元件机器人精密光学加工技术和工艺，并实现了大口径离轴非球面元件的多机器人组合加工。

图1 中科院光电技术研究所大口径光学元件机器人加工平台

长春光机所建立了大口径光学系统反射镜先进制造技术平台，该平台已经为长春光机所乃至国家科研生产提供了支撑，有效保障了高分对地观测、深空探测等国家重大工程装备研制任务。目前完成了4m量级光学材料制备、突破了2m量级反射镜高精度技术，正在开展4m量级光学非球面高精度抛光。

2. 大尺寸激光钕玻璃生产工艺

我国上海光机所建成了具有自主知识产权的大尺寸磷酸盐激光钕玻璃批量制备成套设备，2017年5月形成了年产 1200 片大尺寸磷酸盐激光钕玻璃的批量制造能力，成为了国际首家独立拥有钕玻璃全流程制造能力的机构。产品应用于神光系列装置等国家重大战略需求，并出口德国、法国、以色列等国家。打破了发达国家对我国激光钕玻璃的技术封锁和产品禁运，满足了国家重大科技专项的迫切需求。

3. 自适应光学技术及应用

中国科学院光电技术研究所联合云南天文台成功突破多层共轭自适应光学关键技术，利用所研制的太阳MCAO系统原理样机与云南天文台1mNVST对接，于2017年10月成功实现对太阳活动区的大视场闭环校正成像观测，在国内首次利用MCAO技术获取到太阳活动区大视场高分辨力实时图像。

图2.5所示为MCAO试验系统对太阳活动区NOAA12683的高分辨力观测结果。与开环数据和GLAO系统闭环数据的对比表明，MCAO校正后能够获得太阳活动区更高分辨力的成像观测结果。

图2 2017年10月5日观测的太阳活动区NOAA12683的开环、GLAO闭环以及MCAO闭环图像

该试验的成功，标志着我国在下一代自适应光学技术领域取得重大突破，使我国成为继美国和德国之后，第三个掌握太阳MCAO技术的国家。

2017年5月，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所完成2m口径自适应光学望远镜完成集成测试。在城市环境光污染严重、大气湍流强烈的条件下，利用自适应光学系统补偿，望远镜达到了优于衍射极限2倍的成像效果，为望远镜外场装调和验收打下了坚实基础。2m口径自适应光学望远镜研制和试观测成功，为4m及以上地基光学望远镜的研制验证了关键技术。

4. 激光显示技术及应用

中科院理化所目前已建成年产2万只三基色激光光源模组的组装生产线和年产3万台激光电视的现代化组装生产线，建成了良好的产业化研发与示范应用平台。

2017年，中科院理化所联合杭州中科极光科技有限公司自主突破了小型化高性能三基色LD激光模组、高效率控制驱动、高精度分时调制、颜色管理、高效能热管理、匀场照明与散斑消除等产业化关键技术，开发出第三代三基色LD激光电视产品——中华鼎系列，其光通量＞4000流明，几何分辨达到2K，色域>151%NTSC，通过了3C认证，为目前所报道的国际首创三基色LD激光电视。

 图3 三基色LD激光电视产品与年产3万台激光电视生产线

三基色LD激光电视的开发成功，表明我国有着良好的核心材料、器件的创新研发和综合技术研发的能力，形成了从激光显示核心器件到整机产品的完整研发和创新链，具备了将激光显示研究优势向产业优势转化的条件，为我国自主发展激光显示产业奠定了重要基础。

5. 大尺寸高光学均匀性激光晶体板条元件制备技术

Nd:YAG和Yb:YAG是高功率大能量固体激光的两种首选工作物质，这两种晶体在最近七年的时间获得了快速发展。

2017年5月，中科院合肥物质科学研究院生长出了尺寸达Ø150mm×200mm Yb:YAG晶体(如图4所示)。通过晶体退火、头尾切割和端面抛光、选料及板条切割、板条整形及检测、板条精加工等步骤，对宽（50~80）mm、厚（5~15）mm板条板元件测量结果表明，其光学均匀性达到(3~5)×10-6，吸收损耗达到了0.4~0.5‰cm-1，纵向通过激光板条的矩形激光在数米外聚焦图如图5所示，从图中可见聚焦特性良好，说明激光板条元件产生的波前畸变很小。用LD泵浦测试了其激光性能，获得了数十千瓦的激光输出，无论激光输出功率还是材料的激光性能均达到了国内外领先水平。

图4 中科院合肥研究院2017年制备的Ø150mm×200mm Yd:YAG晶体

图5 激光穿过 (50~80)mm ×(5~15) m的Yb:YAG板条元件的光斑聚焦图

五、领域年度热词

 热词1：引力波 

基本定义：引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传输，这种波以引力辐射的形式传输能量。引力波为我们打开了除电磁辐射、粒子之外，一个全新的窗口。引力波的探测将极大推动对宇宙诞生和时空本质的理解。

应用水平：2015年科学家首次探测到引力波，开启了天文发现的又一个新时代。2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年12月26日03：38：53（UTC），位于美国汉福德区和路易斯安纳州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到一个引力波，这是人类探测到的第二个引力波信号。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

 热词2：量子计算机 

基本定义：量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机使用的量子比特所能包含的信息远多于传统计算机，因此理论上量子计算机的计算速度会大大超越传统计算机。

应用水平：2009年世界首台可编程的通用量子计算机正是在美国诞生，2012年一个多国合作的科研团队研发出基于金刚石的具有两个量子位的量子计算机。2017年3月6日，IBM宣布将于年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务-IBM Q。2017 年的新进展是玻色子采样量子计算机，2017年5月3日中科院对外宣布我国研制出世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

 热词3：太赫兹 

基本定义：太赫兹（电磁波谱在0.1~10 THz的远红外区域）光学是补全光谱的最后一块短板。太赫兹的独特性能给宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来深远影响。美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本更将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

应用水平： 中科院苏州纳米所、中科院纳米器件与应用重点实验室首次直接验证了天线耦合的场效应晶体管可用于非相干太赫兹波的灵敏探测，瑞典研究人员开发出首个具有机械柔性的石墨烯基太赫兹探测器。美国布朗大学的研究人员开发出利用“太赫兹”电波传送数据的技术，速度可高达50Gbps，比常见的WiFi快了约100倍。

 热词4：10拍瓦 

基本定义：超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件，推动着激光科学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理和核物理等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。这类大型系统也是目前光学领域的一个重要热点。

应用水平：2008 年，法国科学家 G. Mourou 提出建造 EW（总功率达到 1018W)激光之后，国际上先后涌现一些国家实验室，提出和实施了超短超强激光脉冲系统研制计划，这其中具有代表性的有欧洲的 Extreme Light Infrastructure（ELI）计划、法国的 APPLLION 计划、俄罗斯珍珠计划和英国火神的VULCAN2020计划。在中国，中国科学院上海光学精密机械研究所最早开始了设计和建造数拍瓦（10¹⁵W，PW）超短脉冲激光系统的计划，2017年，成功实现了10拍瓦激光放大输出，这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率，达到国际同类研究的领先水平。

本文摘编自《中国电子信息工程科技发展研究2017》，更多精彩内容，请参阅全书。

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