国家自然科学基金视角下我国激光科学技术发展的分析和展望（2017—2021）

激光自发明以来经历了飞速的发展，带动物理、化学、生物、信息等众多相关领域取得了重大突破，在基础科学和应用技术研究中占据了至关重要的地位。激光（F0506）是光学和光电子学（F05）一级学科申请代码下设置的二级代码，主要资助针对激光领域科学技术问题的基础研究。

本文从国家自然科学基金的视角，结合2017—2021年重点项目、重大项目、国家重大科研仪器研制项目、面上项目和青年科学基金项目的资助情况，对项目标题和关键词进行热词分析，梳理我国激光科学技术的发展现状和挑战，并在此基础上对需要进一步深入研究和探讨的问题进行了展望。

2017—2021年F0506在阿秒激光方向资助了一项重大项目。阿秒激光具有与束缚态电子运动时间尺度可比的脉冲宽度，是研究电子超快过程、对电子进行实时观测和控制的核心工具，对我国基础科学前沿探索有重要意义。

阿秒激光的研究内容主要包括利用高次谐波产生阿秒脉冲、运用选通技术获得孤立阿秒脉冲、分离驱动激光与阿秒脉冲、阿秒脉冲色散补偿、阿秒脉冲测量等方面。目前阿秒激光研究的重点和难点主要在于进一步拓展频谱范围、压窄脉冲宽度，同时获得更高的功率。通过技术层面的改进来压缩脉宽的研究已接近瓶颈，获得更短脉冲需要更多基础原理层面的突破。

从图2可以看出，“测量”是仪器项目最关注的应用场景，“精密”、“小型化”则是最关注的性能要求。其他关注的功能还有“操控”、“光源”、“加工”等。从词群关系可以看出，测量是仪器研究的一个核心目的，研究内容主要可以分为超短脉冲激光性质的测量和冷原子的精密光谱测量。而小型化则是推动仪器研究走向实用的一个共性需求。

在超短脉冲激光性质的测量方面，我国科研人员目前主要致力于解决两方面问题：激光的高动态范围噪声测量问题；超快激光缺乏高时空分辨、实时连续超快测量手段的问题。另外，我国学者正在研究将飞秒泵浦测量系统与飞秒激光直写系统结合，开发面向飞秒激光微纳加工物性精准调控的原位泵浦测量系统，以实现对加工区域的高分辨率原位检测分析和实时动态补偿，为飞秒激光加工的深入研究提供全新的仪器工具。

原子的精密光谱测量领域的研究核心则围绕在原子态的制备与操控、超精密检测、科研仪器小型化等方面。目前，我国科研人员在冷原子绝对重力仪、基于里德堡原子的微波电场测量、钙离子光钟等领域成果显著。

面上、青年项目中出现频率最高的几个热词包括“光纤”“脉冲”“飞秒”“红外”“高功率”等，与重点项目的高频热词高度重叠。这说明广大科研工作者都十分关注这些本领域的核心基础科学问题。青年项目提取的热词数量为343，大于面上项目的272，表明青年项目覆盖的研究内容更广。

从热词词频统计来看，面上和青年项目出现频率最高的四个热词完全相同，均为“光纤”、“脉冲”、“锁模”和“飞秒”，而青年项目的词频均高于面上项目。这说明光纤激光和超短脉冲激光是目前我国学者普遍关注的热点，而青年学者对这些热点体系的研究更加集中。“红外”、“调控”和“拉曼”也是面上和青年项目共同关注的热词，而且词频接近。红外波段的高功率激光和宽频谱激光有着重要的实际应用价值。拉曼过程是产生红外波段激光的一种重要手段，因此该热词通常与红外一起出现。调控能力则是激光研究中普遍关注的重要性能。

本文结合国家自然科学基金F0506代码下各类项目资助情况，梳理出当前我国激光科学技术领域的前沿热点及研究现状，旨在厘清我国激光科学技术的优势与不足，有针对性的“补短板”和“强长板”。在此，本文提出坚持“四个面向”，推动我国未来激光科学技术的进一步发展，以实现高水平科技自立自强。

1、面向基础科学的高性能激光研究

作为科学研究的重要工具，激光性能的重要提升往往能提升原始创新能力，带动许多相关学科产生重大突破。而随着单纯技术的提升趋于瓶颈，激光性能的进一步提升有赖于很多基础前沿科学问题的解决。

在超强激光方面，我国起步较早，已取得了一系列国际先进成果。为了进一步提高激光功率，需要加强对提高能量注入的功率和效率、提高泵浦能量转化效率、改进废热管理方法、波前畸变抑制方法、相干合成单元优化控制方法等问题的研究；在超快激光方面，我国布局较晚，仍处于追赶阶段。为了进一步压窄激光脉冲宽度，需要加强对拓展频谱展宽范围和提高色散补偿精度等问题的研究；在超稳激光方面，受限于制造工艺和技术积累，我国距离国际顶尖水平仍有一定差距。为了进一步压窄激光谱线宽度，需要加强对提高幅度和相位噪声抑制的深度和范围、提高光学参考腔品质因子和提升系统的抗振隔热性等问题的研究。

2、面向高端制造的激光精密加工技术研究

激光制造是推动我国向制造强国转型、促进战略新兴产业发展的关键一环，近年来发展迅速，取得了部分国际领先的成果，但很多方面仍处于跟踪国际先进水平的阶段。在飞秒激光精密加工方面，需要加强对增加激光峰值功率、优化激光光束质量、提高加工分辨率、改善测量和控制精度、提升加工效率、探索激光与各种物质相互作用机理等问题的研究；在高制程光刻技术方面，需要加强对研发高性能紫外光学材料和光学元件、改进紫外镀膜技术和光学损伤抑制技术、探索准分子激光的放电动力学问题、研制激光等离子体光源的高功率泵浦源、探索激发辐射过程的动力学问题等内容的研究。

3、面向环境监测的中红外脉冲激光研究

宽频谱的高功率中红外脉冲激光可以实现很多痕量气体的监测，具有分析快速、操作简单、环境友好等优点，受到国内外学者的广泛关注。我国在这一领域已经形成了一批有特色的研究成果。为了拓展波长范围，提升功率，进一步提高检测的范围和灵敏度，需要加强对研发高增益高稳定性激光增益材料、探索新的高性能掺杂离子、研制低弛豫时间高稳定性锁模器件、优化空芯光纤结构设计和制备工艺、提高泵浦光功率、改进热效应控制技术等内容的研究。

4、面向生物医学的激光诊疗技术研究

近年来我国在激光诊疗领域的研究进展迅速，部分基础研究和临床应用达到了国际先进水平，但一些高端设备仍有赖进口。在光学相干层析、光声成像等激光诊断技术方面，针对减小设备体积、提升分辨率、增加探测深度的需求，需要加强对研制小型化激光器、拓展光源频谱宽度、构造可降解高灵敏度纳米探针等问题的研究；在激光切除技术方面，针对目前存在的激光功率较小、脉冲宽度宽、穿透深度过深等问题，需要加强对提升激光功率、压窄激光脉宽、减小组织穿透深度等问题的研究；在光动力治疗方面，针对目前光物理化学反应机理不够明确、光敏剂靶向性不够高、治疗范围受限等问题，需要加强对提高光敏剂选择性、制造可植入微纳激光器、探索激光与生物组织相互作用机理等问题的研究。