激光技術標準體系研究

摘 要：激光的出現引起了光學革命性的發展，沖擊了整個物理學，并且對化學、生物學、醫學、信息等學科都產生了巨大的影響。激光技術是一項國家戰略支撐高技術，其迅速發展，極大地推動了工業、國防、醫療、科學前沿等領域的進步。發展激光產業，是我國邁向制造業強國、科技強國的重要途徑。激光技術相關標準是保證激光產品質量、控制成本、提高產品市場競爭力的重要保障，激光標準體系的建立完善影響著我國激光產業的快速、健康、持續發展。本文首先介紹了激光基本原理及研究現狀，檢索、研究了國內外激光相關標準，參考其他重大領域標準體系建設，提出了激光標準體系的框架結構，并結合目前激光發展現狀，研究分析了激光標準發展趨勢。

關鍵詞：激光，標準體系，標準化

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

0 引 言

激光與原子能、半導體、計算機一起，被稱為20世紀的“新四大發明”，是最快的刀、最亮的光、最標的尺。它的出現不但引起了光學革命性的發展，沖擊了整個物理學，并且對化學、生物學、醫學、信息等學科都產生了巨大的影響，成為一項國家戰略支撐高技術。

激光技術的快速發展，極大地推動了工業、國防、醫療、科學前沿等領域的進步。2022年，在經濟下行的大背景下，全球激光設備市場規模達到了216億美元，同比上漲2. 8%。中國激光器市場規模保持增長趨勢，2020年市場規模已達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模增速加快，達到147.4億美元，預計2023年繼續保持增長，市場規模將達169.5億美元。

從2006年起，我國就將激光列為未來15年重點發展的八項前沿技術之一，之后在“十二五”“十三五”以及“十四五”接連三個五年計劃中又重點提及推動激光產業發展。發展激光產業是我國邁向制造業強國、科技強國的重要途徑。激光技術相關標準是保證激光產品質量、控制成本、提高產品市場競爭力的重要保障，激光標準體系的建立完善影響著我國激光產業的快速、健康、持續發展[1-2]。

本文首先介紹了激光基本原理及研究現狀，檢索、研究了國內外激光相關標準，參考其他重大領域（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）標準體系建設[7]，提出了激光標準體系的框架結構，并結合目前激光發展現狀，研究分析了激光標準發展趨勢。

1 激光產生原理及研究現狀

激光基于受激輻射原理，是一種高強度、高能量、高相干性和單色性的電磁波。當有激勵源泵浦增益介質時，增益介質中產生粒子數反轉，其原子或分子能級躍遷而輻射出光子，并在諧振腔內多次放大，最終形成相同頻率（單色性）、相同方向（高強度）的激光。因此，激光器主要包括激勵源、增益介質、諧振腔。激勵方式主要包括電激勵和光激勵。諧振腔主要由高反射率鏡片、部分反射率鏡片、時/空調制器件等光學元件組成。增益介質按形態可分為固體、氣體、液體等。目前占據市場份額較大的常用激光器主要有半導體激光器、光纖激光器（半導體泵浦光纖激光器）和全固態激光器（半導體泵浦固體激光器）。而早期的氣體激光器、準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，但在光刻等特殊領域仍占一席之地。

激光的性能主要從頻域、時域、空域、強度進行評價。頻域特性主要指激光頻率或波長（二者有固定換算關系），及線寬、頻率/波長的波動性。時域特性是指在時間上的性能，包括連續和脈沖；對于脈沖激光，表征其時間特性的參數有重復頻率、脈沖寬度等。空域特性包括垂直于光傳播方向的橫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、光束質量等參數表征。能量和功率是表征激光強度的參數，功率就是單位時間的能量值。結合上述四個維度，還演化出常用的平均功率、峰功率、功率/能量密度等參數，來評價激光性能。因此，各類激光器的激光性能的檢測，實際上就是頻域、時域、空域、強度這四個維度參數的測定。

目前，半導體激光器由于是電激勵且適于批量化生產，是電光效率最高、波長范圍覆蓋最廣（能帶工程設計調諧）、壽命最長、可靠性最高、應用最廣泛的激光器，占據光通信、信息處理等領域市場，同時也是光纖激光和全固態激光的泵浦源，還備受對光束質量等要求不高的應用（如激光褪毛、激光熔覆等）青睞。光纖激光器由于結構緊湊、可靠性高、適應性強、光纖柔性導出等優勢，是目前工業、醫療激光器的主力軍，也是軍用高功率激光器的強勁候選者。市場的巨大需求和量產化，使得其價格成本極大降低。近些年來，國內多家主營半導體激光、光纖激光的激光企業陸續成為上市公司。全固態激光器優勢在于可產生超高功率激光、超快激光、超寬譜調諧激光，用于科學前沿、生物醫療、戰略/戰術激光武器等尖端應用領域。

另外，還可通過非線性光學頻率變換，將上述基頻激光進行變頻，擴展頻率從極紫外至中遠紅外乃至太赫茲波段。

2 激光技術標準體系框架

按“光學”“激光”“鏡”等關鍵詞進行國內標準檢索，剔除不相關標準，本文收集了367條國內激光技術相關標準。這些標準中，有一類主要是基礎類，源于國際標準，如GB/T 38245—2019《光學和光學儀器 激光器和激光相關設備 激光光學元件吸收率測試方法》，源于國際標準化組織的ISO11551：2003；GB/T 16601.1—2017《激光器和激光相關設備 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。

本文根據激光器結構和激光性能，并從應用角度考慮，結合現有激光標準情況，提出了激光技術標準體系結構，體系框圖如圖1所示。體系主要包括共性基礎、設計制造、性能測試、試驗驗證、使用保障五大類。

2.1 共性基礎

共性基礎類標準是其他各類標準的上位標準，具有指導性和全局性的作用，涉及激光器的總規范、術語以及命名方法等三個子類標準，其他四類標準需要遵循激光器的共性基礎類標準。

2.2 設計制造

設計制造類標準包括與其他產品特別是應用類的接口標準，產品設計的各自規范和標準，以及制造工藝類標準。目前這類標準較少，特別是高層次標準幾乎沒有，主要原因是，尚未形成統一的激光器系列，以及大規模量化的激光器產品設計和成熟一致的制造工藝。近年來，激光技術的快速發展推動了激光設備制造行業的迅猛發展。然而，由于缺乏統一的標準，激光設備設計制造行業存在很多質量和安全隱患。為了推動行業的健康發展和提升產品質量，制定激光設備設計制造行業標準勢在必行。

2.3 性能測試

激光器及其組成元件的性能測試標準對于確保激光器的性能和質量至關重要。這一類標準是目前發展最為成熟和豐富的。包括激光性能測試標準、關鍵器件測試標準以及計量校準三小類。激光性能測試包括時間、空間、頻率、能量功率和壽命可靠性。關鍵器件測試包括光學元件的光機熱參數、損傷確定、可靠性評價以及機電控器件的測試。計量校準主要是對專用儀器設備以及通用工具設備的標準規范，以確保測試結果的準確性和可靠性。特別指出的是，目前，激光整機和關鍵器件的壽命可靠性評價標準很少，而這對于激光器穩定性和長期使用至關重要，因此亟須規范完善。

2.4 試驗驗證

激光應用的效果，很大程度依賴于目標本身特性。因此，通過試驗驗證，確認激光作用效果，從而反向規范激光性能參數，提出分級參數要求，特別是對于軍事國防領域應用，具有重要意義。這類標準對輻照效應測定、試驗鑒定方法等做出標準化規范。

2.5 使用保障

激光能量集中的特性也導致了其使用時與其他產品相比具有更高的風險。因此，保障維護類標準包含安全使用、文件要求、包裝運輸、整機應用四個小類，主要是為了規范激光器相關產品的使用安全以及使用者的人身安全做出的規范。

本文還將國內常用現行激光標準進行了整理，按其在激光標準體系中的位置進行分類，供激光領域研究和生產人員參考，具體見表1。

3 結 語

隨著我國激光技術的快速發展和工程應用的推進，相關標準也將不斷完善和更新。標準作為技術法規將在其中發揮越來越重要的作用，標準化工作的貫徹與落實，將為激光技術的發展提供更加穩定和可靠的保障，引領行業取得長足的發展。本文在對國內外標準進行深入調研分析后，提出了激光技術標準體系結構，使相關研究人員快速了解現有標準，也為激光技術標準化工作進一步完善提供借鑒。

參考文獻

[1]趙蕾霞，鐘永恒，孟銀濤.基于標準分析的主要國家激光產業布局和發展進程研究[J].科技管理研究，2015，35（22）：144-148.

[2]陳京生，李清，吳紅，等.國外激光武器及其標準化的研究進展[J].兵器裝備工程學報，2023，44（10）：165-172.

[3]許冬彥，周玉霞.國家航天標準體系建設研究[J].南京航空航天大學學報，2021，53（S1）：135-142.

[4]國家標準化管理委員會.國家新一代人工智能標準體系建設指南（2020版）[Z].2020.

[5]高家鳴，馮霞，馬萬鐘.激光顯示產業綜合標準體系研究[J].中國標準導報，2016（4）：38-43.

[6]國家標準化管理委員會.國家智能制造標準體系建設指南（2021版）[Z].2021.

[7]周晨.淺析標準體系構建的共性特征[J].中國標準化，2021（24）：6-9.

作者簡介

宗楠，通信作者，理學博士，研究員，研究方向為高功率全固態激光技術及非線性光學頻率變換、激光技術標準化。

（責任編輯：袁文靜）