激光合束專利技術現狀及進展

禹伶潔

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160）

1 技術背景

世界上首臺激光器是梅曼在1967年搭建的全固態紅寶石激光器，其采用閃光燈泵浦，較低的泵浦效率使輸出功率較低，此后幾十年，激光技術迅猛發展，例如氣體激光器、化學激光器、半導體激光器、光纖激光器、自由電子激光器等相繼出現，并出現了以半導體激光作為固體激光器的泵浦源后，電光效率大幅提升，輸出功率隨之大幅提高，繼而在工業加工和軍事對抗等方面迅速發展。

基于激光武器及工業應用需求，激光合束技術應運而生，它是提高激光器輸出功率，減小激光源相干性的主要途徑。根據作用機理的不同激光合束分為相干合束和非相干合束。相干合束是指將N 束窄線寬光源（單頻光源最佳）進行相干疊加，美國LaWS 和德國HEL 激光武器系統就基于此原理構建，合成的光束峰值功率是單個光束峰值功率的N2 倍，其是將多路激光束經相干控制后合成一束光，從而由許多中等功率的激光器獲得高功率的單束激光輸出。其關鍵技術是相位的鎖定。非相干合束是采用一些光學元件將各個參與合成的子光束在近場和遠場合成為一束，此方法因無需相位控制，裝置相對簡單。非相干合成的方法主要有偏振合束，空間交叉合成技術以及光譜合束的方法，但是受限于衍射光柵的損傷閾值和溫度靈敏度，其既可以應用在半導體激光器中，也可應用在光纖激光器中。而在提高輸出功率的同時，保證光束質量不惡化也是應用中需要考慮的問題，而非相干合束中的偏振合束技術，可在不改變光束質量的情況下將功率和亮度翻倍受到廣泛研究[1-3]。

2 技術發展狀況

2.1 技術分解

該文選擇CNABS 和DWPI 檢索數據庫，通過對檢索所獲得的該領域的專利申請進行統計和分析研究，對激光合束技術研究涉及的技術進行分解。有關激光合束技術的專利申請與科研單位的研究方向相同，也是基于相干合束與非相干合束兩大方面，同時又根據不同的合束方法下的分支，對鎖相技術合束及激光束的合成疊加多個方向進行專利申請。

2.2 激光合束技術的專利申請情況

該次檢索時間截至2018年12月31 日，經檢索和人工篩選，最終確定的涉及激光合束技術研究的全球專利申請共計1 455 項，來自25 個國家或地區的總計735 多位申請人，總體發展趨勢呈現增長狀態。

2.2.1 申請量年度分布

圖1 顯示了激光合束技術申請量的年度分布，紅色顯示了全球范圍內激光合束技術申請量的年度分布，綠色曲線則表示了在中國范圍內申請量的年度分布。

從圖1 中可以看出，在全球范圍內，激光合束技術專利申請量總體上呈平穩上升趨勢。在1990年以前，有關激光合束技術的專利申請以國外申請為主，國內未見相關專利申請。之后外國申請量以平均每年幾件的速度緩慢增長，外國專利的申請量變化較小，直至2015年才突破100 件，說明國外對激光合束技術的研究一直在持續；我國1997年才出現第一件有關激光合束技術的專利申請，之后以每年十幾件的速度增長，直至2011年申請量突破20 件，并在之后逐年快速增長，原因可能為我國知識產權事業發展較晚，人們對于專利申請的流程、專利保護制度和優勢了解甚少，導致大多數研究人員將研究成果發表在學術期刊中，鮮有申請專利的，但是到了2011年之后，國內專利申請數量開始迅速增長，也越來越與國際申請量相近，這說明中國的企業以及研究院所這些主要創新主體越來越重視激光合束技術研究的專利保護。全球總體有關激光合束技術的申請量是逐年增加的，說明工業應用中對高功率激光器的需求越來越大，各國對知識產權的重視程度，從而導致全球專利申請態勢的高走。而2007年開始，外國申請量逐漸趨于平穩，回歸到一個較為平穩的階段，這是由于激光合束技術在前已有大量的專利，已經從眾多研究方向和角度對激光合束進行了深入的研究，以至于該技術到了創新難度較大的發展階段，2011年開始，全球申請量主要的增長均是源于中國的專利申請量的增加，說明我國對推動知識產權保護有著重要作用。

2.2.2 申請來源國分布

國專利申請的數量能夠在一定程度上反映出該國如企業、研究團體、個人等創新主體在激光合束技術領域的研發水平以及研發能力。截止到2018年12月31 日，我們統計激光合束技術領域全球專利申請的來源國分布如圖2 所示。

圖2 各國專利申請量對比

從圖2 可以看出，來源于中國和美國這兩個國家的專利申請占據了全球專利申請量的絕大部分，共占據了全球專利申請的62.3%，其中中國的專利申請量后來居上，雖然發展較晚，但成為占全球申請總量最多的國家，可見，中國在激光合束技術專利布局上面已經占據了一定優勢地位。這不僅與我國越來越多創新主體將研發投入到該領域有關，同時也與我國鼓勵發明創造的相關制度有關，專利保護得到了更多的關注。

2.2.3 國內申請人分析

圖3 全球激光合束技術分支分析

我們繼續對國內涉及的激光合束技術專利申請的創新主體進行進一步分析，結果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，國內的主要申請人是高校和研究所，這些申請人中的大部分不僅申請了專利，相關內容也同樣在學術論文中發表。早些年，科研學者對專利審查中現有技術的概念還不太了解，導致有些學者先發表論文，然后將相同或非常相似的內容再申請專利，因此由于其本人在先發表的論文構成在后申請專利的現有技術，導致專利喪失新穎性或創造性的情況屢屢發生，然而隨著申請人對專利法的理解更加深入，這種情況也就很少甚至不會發生了，大家都知道了要先申請專利再發表論文。在國內激光合束技術專利申請的創新主體中，中國科學院上海光學精密機械研究所獨占鰲頭，電子科學技術大學、國防科技大學、華中科技大學、中科院半導體所和深圳大學、清華大學的申請量緊隨其后。

2.3 全球激光合束技術分支分析

根據不同合束方法可知，其分為相干合束和非相干合束。相干合束中，有關混合式鎖相技術的申請量最大，其通常利用光電分離的方法，激光陣列激光相互耦合，從而提高激光輸出功率。而非相干合束中的偏振合束可在不改變光束質量的情況下將功率和亮度翻倍受到廣泛研究，其不僅在學術研究中體現，在專利申請量中也可提現，有關激光偏振合束的技術多達500 項，占全部激光合束技術的34%。而有關波導合束的專利申請，由于其難度復雜及成本高的原因，僅有14 件申請，申請量較小。

3 結語

近年來，國內在激光合束技術領域的投入越來越大，雖然起步較晚，但在全球申請量仍占有一定優勢。該文詳細梳理了激光合束技術領域的專利申請量隨年度的變化、技術來源國、國內重點申請人及其技術分支進行分析，最后結合重點專利進行說明，基本理清了該技術領域的主要技術發展趨勢，并掌握了該領域的重要專利的基本信息。