2035年信息领域激光技术发展趋势展望

江苏激光联盟指南:

自从其发明以来，激光技术已广泛用于信息领域. 激光技术促进了信息技术的快速发展，并已成为当今信息技术发展的主要动力. “中国激光技术与信息应用的发展战略研究2035”是中国工程院针对中国激光应用的重点咨询项目“中国激光技术与应用的发展战略研究2035”的主题之一. 信息领域及相关行业的技术发展现状进行全面研究，凝练激光技术在信息领域的发展趋势，并提出合理的建议，以促进该领域的发展. 本文介绍了几种激光技术在信息领域的主要应用，例如光通信，激光显示，光学存储和光学传感，并对的研究和发展现状，主要关键技术进行了深入分析. ，以及产业发展. 研究提出: 确定核心技术开发的研究重点和布局；建立产业创新平台，提高技术创新水平；注重知识产权保护，加强高端人才的培养；指导“政，工，研”合作，促进成果转化合作. 加大政策扶持力度，引导和引导行业健康发展. 发挥产业集聚优势，增强企业竞争力.

I. 简介

与传统光源相比，激光光源具有单色性好，相干性强，亮度高，方向性好等优点，在工农业生产，通讯，医疗，科研等许多领域得到了广泛的应用. ，国防等. 激光的发明和发展引发了光学领域的重大革命[1]，促进了信息技术的飞速发展，并将人类带入了信息时代. 特别地，半导体激光器的出现直接促进了光纤通信技术的应用，使通信技术的发展由电子时代进入了光电时代.

激光技术的飞速发展已经渗透到信息技术领域的各个方面. 随着电子信息技术的扩展和发展，其取得了举世瞩目的成就，并成为当今信息技术发展的主要动力. 目前，激光在信息领域的应用技术已经发展了激光成像，测距，传感，探测，通信，信息处理，显示，存储等方向，促进了国家信息化，国防建设，航空航天，能源环境的等待. 为民生和国家重大战略安全领域做出了巨大贡献，也为科学探索和技术创新提供了空前的手段和机会.

信息领域激光技术和产业的发展与我国创新型国家全面发展战略目标的实现有关. 经过几十年的发展，尽管我国的激光信息技术取得了重要进展，但基本部件的开发和产业化与国际先进水平之间仍然存在较大差距. 面对激烈的国际竞争，我们必须抓住国际技术经济发展的战略机遇，调整我国经济结构黑白电视发射机，加快激光信息技术和产业能力的发展.

第二，激光技术在信息领域的应用现状

激光技术在信息领域的广泛应用直接将人类文明带入了信息时代，这对信息领域产生了最深远的影响，并在光通信，激光的发展中得到了突出体现. 显示器和基于激光技术的光学存储. ，光感应和其他信息领域.

（1）光通信技术

现代通信技术对激光的依赖性很高，是激光技术最重要的应用领域. 以激光为载体的光通信技术已经成为最重要的现代通信技术. 光通信可以实现语音，图像和数据等信息的传输. 具有速率高，容量大，抗干扰能力强的优点. 按照传输介质，它主要分为光纤通信和无线激光通信.

1. 光纤通讯

光纤通信使用激光源作为载波，使用光纤作为导电介质来实现信息传输，已经使用了40多年. 光纤通信的传输速度更快，能量损失更小，激光调制率更高，这不利于通信性能的提高，具有巨大的经济价值和广阔的工业前景[2]. 中国科学家高Kun发明的低损耗光纤和半导体激光器等一系列技术的突破促进了光纤通信在1976年的商业应用，并开发了0.85μm，1.31μm和1.55μm三波段激光载体和波分复用随着激光性能的提高，移动通信和相干通信等第五代通信技术单通道400 Gb / s商用设备已经投入运行.

由于光纤通信带宽的增加，始于1960年代的美国国防部网络已发展成为当前的通用Internet，并形成了一条信息高速公路. 另外，正是由于过去20年网络容量的不断增加（达到每秒数十兆字节），光纤通信技术才不断扩展移动通信带宽和服务用户数量，成为最快的今天发展的领域. 光纤通信技术是20世纪人类社会取得的最大技术成就之一，是人类向信息时代发展的不可替代的基石. 它已成为全球信息化的支撑技术，导致了经济全球化和形成形式的改变. 数百年来的经济模式，使人们的生活质量得到了迅速提高.

我国在光纤通信技术和产业中取得了快速的发展[3]. 光通信设备和系统的研发和工程应用能力已达到世界一流水平. 以华为技术，中兴通讯，长飞光纤光缆和Fiber火通信技术为代表的中国通信公司已经成长为各自领域的高科技企业. 目前，中国的生产能力和市场份额均居世界第一. 通信激光器等光电子设备的产量和市场约占世界的1/2. 光传输设备和市场份额占1/3以上. 该技术仅次于美国. 还有日本[4].

2. 无线激光通讯

无线激光通信结合了通信和光纤通信的优点，具有抗干扰能力强，抗干扰能力强，安全性好，通信速率高，传输速度快，信息容量大，系统尺寸小等优点. 重量轻. 低功耗，结构简单，机动性强的特点在军事和民用领域具有重要的战略需求和应用价值[5,6].

早在1970年代，美国，欧洲，日本，等国家和地区就已对天基，大气和水下信道进行了无线激光通信研究. 经过多年的研究和实验验证，激光卫星通信在与微波卫星通信中显示出巨大的优势. 2008年，德国航空航天中心（DLR）使用Tesat卫星以5.625 Gb / s的1.06μm激光载波速率进行了4.5万公里在轨星际激光通信测试验证. 美国国家航空航天局（NASA）在2013年10月成功测试了4×105 km的月球间激光信息传输，最大下行链路速率分别为622 Mb / s和20 Mb / s [7,8].

我国于1970年始进行大气激光通信技术的研究，并于1990年代启动了空间激光通信研究项目，并迅速赶上了国际先进水平. 2007年，长春科技大学率先突破了长距离光束捕获，对准和跟踪技术，并首次实现了双动态激光通信. 2013年，它以2.5 Gb / s的速度成功测试了中国首架固定翼飞机之间的远程激光通信. 传输距离为144公里，超过了世界上同类实验中最长的距离. 2011年，哈尔滨工业大学启动了我国第一个卫星到地面激光通信链路数据传输测试，最大下行速率为504 Mb / s. 2017年，中国科学院上海光学精密机械研究所进行了我国首次卫星地面高速相干激光通信技术测试，最大下行速率为5.12 Gb / s. 同年，由配备“实践13”高通量卫星的卫星对地面激光通信终端进行的全球首个高轨道卫星对地球高速激光双向通信测试成功，对于40 000 km的卫星到地面距离，最高速度为5 Gb / s.

无线激光通信技术已取得全面突破，并扩展到水下，大气和室内可见光通信. 随着人类科学技术的进步和对信息的需求，无线激光通信技术将成为通信领域的决定性传输技术，促进物联网和智能网络的发展，甚至改变人类的生产方式，生活和文化.

（2）激光显示技术

激光显示技术是继黑白显示，彩色显示和数字显示之后的第四代显示技术. 它是激光技术，光电技术和半导体技术快速发展和全面集成的产物. 随着激光技术的成熟，激光显示器突破了12位彩色灰度编码而又没有重叠，高亮度，并且可以在人眼的最佳视觉感知区域进行精确控制，实现了8K几何高清，三基色半导体激光（LD）激光显示技术是唯一可以完全实现ITU-BT.2020标准的显示技术. 由于激光具有方向性好，单色性好和亮度高的三个基本特征，因此可以实现大色域，双高清（几何，彩色）视频图像显示和真正的三维显示，这被认为是最好的. 实现高保真图像再现该技术方法是新显示器的主流发展方向[9].

中国的激光显示技术研究进展迅速. 在国家高技术研究发展计划（863计划）和中国科学院创新工程计划的支持下，中国科学院理化技术研究所徐祖彦院士团队在中国成功发展， 2005年，激光全彩投影显示原理原型（全固态激光源）首次面世，具有世界先进的整体水平，色域覆盖率等关键技术（占79％）在国际上处于领先地位. 2015年，成功开发了世界上第一个100英寸三色LD激光电视原型，证明了激光显示技术产业化的可行性. “十三五计划纲要”将激光显示列为第一批新一代信息技术和新显示项目. 经过多年的研究，中国已申请并授权了7,000多种激光显示专利，占全球激光显示专利的50％以上，并被选为IEC-TC110激光显示工作组的召集国. 参与制定许多国际电工委员会（IEC）国际标准[10].

尽管家用三基色LD器件的功率，效率和可靠性仍远未达到国外，但是激光显示技术和三基色LD光源的应用已进入快速发展阶段，并且正在逐步发展. 有望在短时间内取得突破.

（3）光学存储技术

随着各种信息的爆炸性增长，每天要处理的信息量将以TB为单位，而信息流将以TB /秒为单位. 在激光的发明之后，光学存储技术得到了发展. 激光光源的使用颠覆了磁存储技术的容量概念. 光学存储采用非接触式读写方式，对磁盘表面几乎没有损坏，数据存储寿命长，存储介质稳定，数据可以存储10年以上，移动性好，成本低，成为最在当今乃至将来都得到广泛使用和高效最高和最大的存储技术. 面对大数据，云计算，物联网和人工智能的需求，超大容量光存储技术发展迅速，其容量已超过TB，并且已经开发了体积全息存储，近场光存储，以及双光子双稳态存储技术和其他光存储技术. 使用激光全息技术的全息存储可以实现三维图像存储，具有更大的存储容量[11].

已经开发了三代家用光存储技术，大多数技术具有独立知识产权，并具有第四代甚至第五代光存储技术的条件，实力和能力. 从二维存储到多维存储，光学存储正在突破衍射极限，并朝着超高密度信息存储的方向发展. 新型大容量光存储技术的研究和实际发展迅速. 蓝光存储技术已经产业化并且正在不断扩展. 双光束超分辨率和玻璃存储技术已进入工程和工业化阶段. 多波长多级光存储和全息存储等技术已经成熟，同时荧光纳米晶体存储，脱氧核糖核酸（DNA）存储技术和近场光存储技术的研究也取得了进展. 随着激光性能的提高和存储技术的进步，2019年单个光盘的存储容量已达到500 GB.

（4）光学传感技术

光学传感器技术类似于光学通信技术. 它使用光作为载体来感测和传输外部信号（已测量）. 从应用的角度来看，主要的光学传感技术大致分为激光雷达和光纤传感. 其他光电传感和激光传感器技术也分布在许多行业中，并且随着行业技术的进步而不断发展.

1. 激光雷达

自1960年发明第一台激光器以来，一直在研究激光雷达技术，以实现环境感知和测距. 第一台激光测距仪于1961年在美国军方投入使用. 与相对成熟的传统雷达技术（例如毫米波，微波和超声波雷达）相比，激光雷达可以大大提高雷达的距离，角度和速度分辨率，并具有很高的激光的方向性和高相干性使其能够抵抗长距离探头的干扰[12]. 从军事应用开始，激光雷达已成为最先进的有源遥感工具，从单通道二维扫描成像技术发展为单点测距，单通道扫描成像，多通道扫描成像，区域阵列成像等. 雷达至条纹管凝视成像雷达和门控距离成像激光雷达.

对于大气监测，差分吸收激光雷达可以测量水蒸气，臭氧，大气污染物等. 后向散射激光雷达可以检测云-气溶胶和可吸入颗粒物的浓度和三维分布，多普勒激光雷达可以测量风速和风速等信息. 风切变，并可以检测到沙尘暴. 激光雷达还可以检测海洋深度，礁石，鱼类群，并调查沉船，检测深海中难以找到的宝贵资源，海洋浮游生物和叶绿素浓度等，使用拉曼散射来测量海洋的地下温度，并使用布里渊散射来测量温度，海洋声速和盐度，并利用荧光效应来测量由于各种事故而泄漏在海面的油气. 在军事领域，激光雷达用于侦察成像，避障，化学试剂检测，地雷检测和武器制导. 激光雷达可用于目标的3D映射以及航天器的会合和对接. 此外，激光雷达技术已经是无人驾驶领域的一项关键技术，它将在未来改变人类社会的交通方式.

激光雷达的关键技术主要包括激光发射器技术，空间扫描技术，高灵敏度设计技术，终端信息处理技术等. 激光雷达取决于激光（激光发射器）的性能，分为紫外线激光雷达根据激光波段分为可见激光雷达和红外激光雷达，根据激光介质的气体激光雷达，固态激光雷达和半导体激光雷达，并分为发射波形脉冲激光雷达，连续波激光雷达和混合激光雷达. 激光技术的发展直接决定了激光雷达的技术进步和应用推广. 随着新兴的光纤激光器，量子级联激光器等技术的发展，激光器在能带调谐度，线宽，能量，脉冲等技术指标上不断提高性能，也将促使激光雷达实现更高的测量精度和更多的性能. 实用性强.

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