激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究

摘 要：激光的出現(xiàn)引起了光學(xué)革命性的發(fā)展，沖擊了整個(gè)物理學(xué)，并且對化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息等學(xué)科都產(chǎn)生了巨大的影響。激光技術(shù)是一項(xiàng)國家戰(zhàn)略支撐高技術(shù)，其迅速發(fā)展，極大地推動了工業(yè)、國防、醫(yī)療、科學(xué)前沿等領(lǐng)域的進(jìn)步。發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)，是我國邁向制造業(yè)強(qiáng)國、科技強(qiáng)國的重要途徑。激光技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是保證激光產(chǎn)品質(zhì)量、控制成本、提高產(chǎn)品市場競爭力的重要保障，激光標(biāo)準(zhǔn)體系的建立完善影響著我國激光產(chǎn)業(yè)的快速、健康、持續(xù)發(fā)展。本文首先介紹了激光基本原理及研究現(xiàn)狀，檢索、研究了國內(nèi)外激光相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考其他重大領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，提出了激光標(biāo)準(zhǔn)體系的框架結(jié)構(gòu)，并結(jié)合目前激光發(fā)展現(xiàn)狀，研究分析了激光標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：激光，標(biāo)準(zhǔn)體系，標(biāo)準(zhǔn)化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.015.011

0 引 言

激光與原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)一起，被稱為20世紀(jì)的“新四大發(fā)明”，是最快的刀、最亮的光、最標(biāo)的尺。它的出現(xiàn)不但引起了光學(xué)革命性的發(fā)展，沖擊了整個(gè)物理學(xué)，并且對化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息等學(xué)科都產(chǎn)生了巨大的影響，成為一項(xiàng)國家戰(zhàn)略支撐高技術(shù)。

激光技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動了工業(yè)、國防、醫(yī)療、科學(xué)前沿等領(lǐng)域的進(jìn)步。2022年，在經(jīng)濟(jì)下行的大背景下，全球激光設(shè)備市場規(guī)模達(dá)到了216億美元，同比上漲2. 8%。中國激光器市場規(guī)模保持增長趨勢，2020年市場規(guī)模已達(dá)109.1億美元，同比增長7.16%，占全球激光器市場66.12%的份額。2022年中國激光器市場規(guī)模增速加快，達(dá)到147.4億美元，預(yù)計(jì)2023年繼續(xù)保持增長，市場規(guī)模將達(dá)169.5億美元。

從2006年起，我國就將激光列為未來15年重點(diǎn)發(fā)展的八項(xiàng)前沿技術(shù)之一，之后在“十二五”“十三五”以及“十四五”接連三個(gè)五年計(jì)劃中又重點(diǎn)提及推動激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)是我國邁向制造業(yè)強(qiáng)國、科技強(qiáng)國的重要途徑。激光技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是保證激光產(chǎn)品質(zhì)量、控制成本、提高產(chǎn)品市場競爭力的重要保障，激光標(biāo)準(zhǔn)體系的建立完善影響著我國激光產(chǎn)業(yè)的快速、健康、持續(xù)發(fā)展[1-2]。

本文首先介紹了激光基本原理及研究現(xiàn)狀，檢索、研究了國內(nèi)外激光相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考其他重大領(lǐng)域（如國家航天[3]、新一代人工智能[4]、激光顯示[5]、智能制造[6]等）標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)[7]，提出了激光標(biāo)準(zhǔn)體系的框架結(jié)構(gòu)，并結(jié)合目前激光發(fā)展現(xiàn)狀，研究分析了激光標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢。

1 激光產(chǎn)生原理及研究現(xiàn)狀

激光基于受激輻射原理，是一種高強(qiáng)度、高能量、高相干性和單色性的電磁波。當(dāng)有激勵(lì)源泵浦增益介質(zhì)時(shí)，增益介質(zhì)中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其原子或分子能級躍遷而輻射出光子，并在諧振腔內(nèi)多次放大，最終形成相同頻率（單色性）、相同方向（高強(qiáng)度）的激光。因此，激光器主要包括激勵(lì)源、增益介質(zhì)、諧振腔。激勵(lì)方式主要包括電激勵(lì)和光激勵(lì)。諧振腔主要由高反射率鏡片、部分反射率鏡片、時(shí)/空調(diào)制器件等光學(xué)元件組成。增益介質(zhì)按形態(tài)可分為固體、氣體、液體等。目前占據(jù)市場份額較大的常用激光器主要有半導(dǎo)體激光器、光纖激光器（半導(dǎo)體泵浦光纖激光器）和全固態(tài)激光器（半導(dǎo)體泵浦固體激光器）。而早期的氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器和染料激光器等，由于其各自的自身局限性，已逐步被上述三種激光器取代，但在光刻等特殊領(lǐng)域仍占一席之地。

激光的性能主要從頻域、時(shí)域、空域、強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)。頻域特性主要指激光頻率或波長（二者有固定換算關(guān)系），及線寬、頻率/波長的波動性。時(shí)域特性是指在時(shí)間上的性能，包括連續(xù)和脈沖；對于脈沖激光，表征其時(shí)間特性的參數(shù)有重復(fù)頻率、脈沖寬度等?？沼蛱匦园ù怪庇诠鈧鞑シ较虻臋M向場分布和沿光傳播方向的縱向光場變化，主要由光斑尺寸、光束質(zhì)量等參數(shù)表征。能量和功率是表征激光強(qiáng)度的參數(shù)，功率就是單位時(shí)間的能量值。結(jié)合上述四個(gè)維度，還演化出常用的平均功率、峰功率、功率/能量密度等參數(shù)，來評價(jià)激光性能。因此，各類激光器的激光性能的檢測，實(shí)際上就是頻域、時(shí)域、空域、強(qiáng)度這四個(gè)維度參數(shù)的測定。

目前，半導(dǎo)體激光器由于是電激勵(lì)且適于批量化生產(chǎn)，是電光效率最高、波長范圍覆蓋最廣（能帶工程設(shè)計(jì)調(diào)諧）、壽命最長、可靠性最高、應(yīng)用最廣泛的激光器，占據(jù)光通信、信息處理等領(lǐng)域市場，同時(shí)也是光纖激光和全固態(tài)激光的泵浦源，還備受對光束質(zhì)量等要求不高的應(yīng)用（如激光褪毛、激光熔覆等）青睞。光纖激光器由于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、光纖柔性導(dǎo)出等優(yōu)勢，是目前工業(yè)、醫(yī)療激光器的主力軍，也是軍用高功率激光器的強(qiáng)勁候選者。市場的巨大需求和量產(chǎn)化，使得其價(jià)格成本極大降低。近些年來，國內(nèi)多家主營半導(dǎo)體激光、光纖激光的激光企業(yè)陸續(xù)成為上市公司。全固態(tài)激光器優(yōu)勢在于可產(chǎn)生超高功率激光、超快激光、超寬譜調(diào)諧激光，用于科學(xué)前沿、生物醫(yī)療、戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)激光武器等尖端應(yīng)用領(lǐng)域。

另外，還可通過非線性光學(xué)頻率變換，將上述基頻激光進(jìn)行變頻，擴(kuò)展頻率從極紫外至中遠(yuǎn)紅外乃至太赫茲波段。

2 激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架

按“光學(xué)”“激光”“鏡”等關(guān)鍵詞進(jìn)行國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢索，剔除不相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文收集了367條國內(nèi)激光技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)中，有一類主要是基礎(chǔ)類，源于國際標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 38245—2019《光學(xué)和光學(xué)儀器 激光器和激光相關(guān)設(shè)備 激光光學(xué)元件吸收率測試方法》，源于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO11551：2003；GB/T 16601.1—2017《激光器和激光相關(guān)設(shè)備 激光損傷閾值測試方法 第1部分：定義和總則》，源于ISO 21254-1：2011。

本文根據(jù)激光器結(jié)構(gòu)和激光性能，并從應(yīng)用角度考慮，結(jié)合現(xiàn)有激光標(biāo)準(zhǔn)情況，提出了激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，體系框圖如圖1所示。體系主要包括共性基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)制造、性能測試、試驗(yàn)驗(yàn)證、使用保障五大類。

2.1 共性基礎(chǔ)

共性基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)是其他各類標(biāo)準(zhǔn)的上位標(biāo)準(zhǔn)，具有指導(dǎo)性和全局性的作用，涉及激光器的總規(guī)范、術(shù)語以及命名方法等三個(gè)子類標(biāo)準(zhǔn)，其他四類標(biāo)準(zhǔn)需要遵循激光器的共性基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計(jì)制造

設(shè)計(jì)制造類標(biāo)準(zhǔn)包括與其他產(chǎn)品特別是應(yīng)用類的接口標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各自規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及制造工藝類標(biāo)準(zhǔn)。目前這類標(biāo)準(zhǔn)較少，特別是高層次標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒有，主要原因是，尚未形成統(tǒng)一的激光器系列，以及大規(guī)模量化的激光器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和成熟一致的制造工藝。近年來，激光技術(shù)的快速發(fā)展推動了激光設(shè)備制造行業(yè)的迅猛發(fā)展。然而，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，激光設(shè)備設(shè)計(jì)制造行業(yè)存在很多質(zhì)量和安全隱患。為了推動行業(yè)的健康發(fā)展和提升產(chǎn)品質(zhì)量，制定激光設(shè)備設(shè)計(jì)制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

2.3 性能測試

激光器及其組成元件的性能測試標(biāo)準(zhǔn)對于確保激光器的性能和質(zhì)量至關(guān)重要。這一類標(biāo)準(zhǔn)是目前發(fā)展最為成熟和豐富的。包括激光性能測試標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵器件測試標(biāo)準(zhǔn)以及計(jì)量校準(zhǔn)三小類。激光性能測試包括時(shí)間、空間、頻率、能量功率和壽命可靠性。關(guān)鍵器件測試包括光學(xué)元件的光機(jī)熱參數(shù)、損傷確定、可靠性評價(jià)以及機(jī)電控器件的測試。計(jì)量校準(zhǔn)主要是對專用儀器設(shè)備以及通用工具設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。特別指出的是，目前，激光整機(jī)和關(guān)鍵器件的壽命可靠性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)很少，而這對于激光器穩(wěn)定性和長期使用至關(guān)重要，因此亟須規(guī)范完善。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

激光應(yīng)用的效果，很大程度依賴于目標(biāo)本身特性。因此，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)激光作用效果，從而反向規(guī)范激光性能參數(shù)，提出分級參數(shù)要求，特別是對于軍事國防領(lǐng)域應(yīng)用，具有重要意義。這類標(biāo)準(zhǔn)對輻照效應(yīng)測定、試驗(yàn)鑒定方法等做出標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。

2.5 使用保障

激光能量集中的特性也導(dǎo)致了其使用時(shí)與其他產(chǎn)品相比具有更高的風(fēng)險(xiǎn)。因此，保障維護(hù)類標(biāo)準(zhǔn)包含安全使用、文件要求、包裝運(yùn)輸、整機(jī)應(yīng)用四個(gè)小類，主要是為了規(guī)范激光器相關(guān)產(chǎn)品的使用安全以及使用者的人身安全做出的規(guī)范。

本文還將國內(nèi)常用現(xiàn)行激光標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整理，按其在激光標(biāo)準(zhǔn)體系中的位置進(jìn)行分類，供激光領(lǐng)域研究和生產(chǎn)人員參考，具體見表1。

3 結(jié) 語

隨著我國激光技術(shù)的快速發(fā)展和工程應(yīng)用的推進(jìn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也將不斷完善和更新。標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)法規(guī)將在其中發(fā)揮越來越重要的作用，標(biāo)準(zhǔn)化工作的貫徹與落實(shí)，將為激光技術(shù)的發(fā)展提供更加穩(wěn)定和可靠的保障，引領(lǐng)行業(yè)取得長足的發(fā)展。本文在對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入調(diào)研分析后，提出了激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，使相關(guān)研究人員快速了解現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，也為激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)一步完善提供借鑒。

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作者簡介

宗楠，通信作者，理學(xué)博士，研究員，研究方向?yàn)楦吖β嗜虘B(tài)激光技術(shù)及非線性光學(xué)頻率變換、激光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：袁文靜）