人類對光的探索貫穿了整個文明史。從燧人氏鉆木取火，到墨子提出“光沿直線傳播”的樸素理論，再到牛頓用棱鏡分解白光揭示光譜的奧秘，光始終是科學與技術演進的見證者。進入21世紀，這場跨越千年的對話迎來了全新維度——光經(jīng)濟。這一概念不再局限于光學儀器的制造，而是以光子為核心，深度融合能源、信息、生物、量子等前沿領域，成為重塑全球產業(yè)格局的關鍵力量。
光經(jīng)濟的崛起，本質上是三次光學革命的積累與質變。17世紀到19世紀期間，折射定律與衍射理論的建立，讓人類首次系統(tǒng)掌控光的傳播規(guī)律；20世紀中葉，激光與光纖的發(fā)明，催生了信息社會的底層架構；而當下，光子與納米技術、量子計算、人工智能的交叉融合，正推動光經(jīng)濟進入“3.0時代”。在這一階段，光子既是能量的載體，也是信息的媒介，更是生命的探針。從激光核聚變點燃“人造太陽”，到光子芯片突破算力極限，從超分辨顯微解析分子運動，到光鐘重新定義時空基準，光經(jīng)濟正在突破物理與想象的邊界。
未來10年，光經(jīng)濟將進入爆發(fā)式增長期。對中國而言，這場革命既是歷史性機遇，也是嚴峻考驗。長江經(jīng)濟帶和東部沿海的光技術產業(yè)集群、全球領先的光伏產能，以及“太極計劃”空間引力波探測等重大工程，彰顯了我國的戰(zhàn)略雄心。然而，光學和光子產業(yè)中的“卡脖子”問題，仍如達摩克利斯之劍高懸。中國能否在這場光子革命中占據(jù)制高點？如何在技術封鎖與全球競合中破局？
陜西碩維光電科技有限公司 光學檢測
從追光到擎光 技術演進中的產業(yè)蝶變
人類與光的互動史，是一部技術革命的編年史。17世紀，斯涅耳提出光的折射定律，伽利略改良望遠鏡觀測木星衛(wèi)星，牛頓通過棱鏡分解白光，這些探索催生了經(jīng)典光學理論體系。折反射定律與衍射理論的建立，不僅讓人類首次系統(tǒng)理解光的傳輸行為，也進一步推動了玻璃研磨、透鏡制造等技術的突破。19世紀以來，德國蔡司公司憑借阿貝正弦條件理論優(yōu)化顯微鏡設計，使成像分辨率大幅提升；德國肖特玻璃廠研發(fā)出了硼硅酸鹽玻璃，具有良好化學穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)和高折射率，為光學儀器在不同環(huán)境條件下穩(wěn)定工作提供了關鍵材料；此外，邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的發(fā)明，使得光學成為精密測量的重要工具，廣泛應用于光譜分析和長度測量。這些理論和技術突破奠定了現(xiàn)代光學工業(yè)的基礎。
20世紀中葉，激光器的發(fā)明徹底改變了光技術的應用范式。1960年，美國休斯實驗室的梅曼研制出首臺紅寶石激光器，這種高單色性、高相干性、高準直性的光束迅速被應用于通信、醫(yī)療與工業(yè)加工。光纖通信取代銅纜，讓信息傳輸進入光速時代；CCD/CMOS傳感器則成為數(shù)字影像的基石。荷蘭ASML公司憑借高端光刻機掌控芯片制造命脈，一臺極紫外（EUV）光刻機包含超過10萬個零件，涉及光學、機械、真空、控制等十多個學科，其復雜度堪比核反應堆，而我國在這一領域仍處于追趕階段。
進入21世紀，光技術開始與量子、納米、生物科技深度交織，催生出更具顛覆性的“3.0時代”。光子晶體通過周期性結構操控光子運動軌跡，可使光速降低至百分之一以下，為光存儲與量子計算提供可能；超材料通過亞波長結構設計實現(xiàn)負折射率，讓“完美成像”和“光學隱身”從科幻走向現(xiàn)實；激光雷達和計算機視覺使得無人駕駛成為可能，同時推動無人機技術和低空經(jīng)濟的飛速發(fā)展；光鑷技術利用激光勢阱操控DNA、病毒等微觀粒子，為單分子生物力學研究開辟新途徑；2017年，LIGO探測器通過4公里臂長的激光干涉儀，捕捉到13億光年外黑洞合并產生的引力波，驗證了愛因斯坦的百年預言。這些突破不僅拓展了光的應用邊界，更讓光子成為能源、信息、生命的通用“貨幣”。光經(jīng)濟至此完成了從輔助工具到獨立經(jīng)濟形態(tài)的蝶變——它不再依附于其他產業(yè)，而是通過光子技術的自主創(chuàng)新直接創(chuàng)造價值。例如，美國Lightmatter公司研發(fā)的光子AI芯片Envise，通過干涉與衍射實現(xiàn)并行計算，速度可達到Nvidia A100 AI芯片的五倍，且僅消耗六分之一的功耗。
縱觀光經(jīng)濟的演變歷史，其原動力從20世紀以前的“科學-技術-興趣”協(xié)同創(chuàng)新，經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)以及戰(zhàn)后國際競爭，發(fā)展到當前的“科學-技術-需求”驅動。展望未來，光經(jīng)濟的發(fā)展必將更加依賴人們對未來世界的期盼，不斷開辟新的科技和產業(yè)賽道。
光的魅力 光子如何重塑世界
在能源領域，光子正在改寫人類獲取與利用能量的規(guī)則。2022年12月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的“國家點火裝置”（NIF）通過192束高能激光轟擊氘氚靶丸，首次實現(xiàn)核聚變凈能量增益（Q值達1.5）。這一突破標志著“人造太陽”從科幻邁向現(xiàn)實，為商業(yè)核聚變發(fā)電鋪平道路。另一項顛覆性技術是輻射制冷，利用多級孔、多層膜或者超表面結構，實現(xiàn)太陽光高反射，同時將地表熱量以8～13微米紅外波段輻射至太空。夏季可使建筑表面溫度降低15℃。若全球10%的建筑采用該技術，每年可減少二氧化碳排放12億噸以上。
信息傳輸是光經(jīng)濟的傳統(tǒng)優(yōu)勢領域，但其邊界仍在不斷擴展。在太空，馬斯克的星鏈計劃通過1.2萬顆衛(wèi)星構建激光通信網(wǎng)絡，V3版本單鏈路容量達4Tbps，有望支持萬人同時進行8K視頻通話。在地面，我國FAST射電望遠鏡利用4450塊主動反射面板實時調整形狀，觀測靈敏度比德國波恩100米望遠鏡提高約10倍,比美國阿雷西博300米射電望遠鏡提高約2.25倍。FAST迄今已發(fā)現(xiàn)超過1000顆脈沖星，其中包括大量毫秒脈沖星和脈沖星雙星，對于理解脈沖星的形成和演化具有重要意義。而在微觀尺度，硅光技術將光子與電子集成于同一芯片，使數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率提升百倍，能耗降低90%。英特爾推出的1.6Tbps硅光引擎，可在1秒內傳輸2部4K電影，為ChatGPT等大模型訓練提供底層支撐。
光子的生物醫(yī)學應用，讓人類得以窺見生命的本質。光遺傳學通過向神經(jīng)元植入光敏蛋白，用藍光精準控制腦區(qū)活動，可以改善帕金森病小鼠的運動障礙。超分辨熒光顯微技術突破衍射極限，分辨率可達納米量級，使科學家首次觀察到HIV病毒表面gp120蛋白與CD4受體結合的動態(tài)過程。在臨床診斷中，光學相干斷層掃描（OCT）可生成視網(wǎng)膜的微米級三維影像，精度媲美組織切片，全球每年有超過3000萬例眼科疾病依賴該技術確診。此外，我國患有心血管病的人數(shù)約3.3億，造成的死亡率占居民疾病死亡的40%以上，OCT、熒光成像、光聲成像等技術有望在心血管疾病的檢查和治療中發(fā)揮不可或缺的作用。
光子還可帶來精密制造領域的變革。通過激發(fā)光子和電子的強耦合體，可將光子在材料中的等效波長縮短十倍以上。超隱形切割技術利用激光-物質相互作用過程中的非線性反饋，可在透明材料中實現(xiàn)橫向精度10納米、深寬比超15000的納米深加工。激光增材制造技術可將傳統(tǒng)焊接工藝制造的數(shù)十個部件整合為單一整體結構，耐溫性能達1300℃（超過航空發(fā)動機工作極限），在極端振動條件下的疲勞壽命比傳統(tǒng)部件延長300%。
量子科技與光子更是天生盟友。例如，激光冷卻技術將銣原子溫度降至1微開爾文（接近絕對零度），使原子鐘的精度提升至百億年誤差不超過1秒，為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供時間基準。2023年，美國哈佛大學團隊在基于光鑷陣列的中性原子陣列量子計算平臺上，用量子糾錯碼編碼了48個邏輯比特，邁出了容錯通用量子計算的關鍵一步。
人工智能的算力需求催生了光子計算革命。傳統(tǒng)電子芯片受限于發(fā)熱與帶寬，而光子芯片通過波導與諧振腔實現(xiàn)光信號處理，能效比提升千倍。美國Lightmatter公司研發(fā)的Envise光子處理器，在1平方厘米芯片上集成2000萬個光學元件，專為神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化設計，其矩陣乘法速度較英偉達A100 GPU提升1.5到10倍。未來，光子-電子異構計算架構或將成為通用人工智能的基本形態(tài)——光子負責大規(guī)模并行計算，電子專精邏輯控制，兩者協(xié)同突破“馮·諾依曼瓶頸”。
逐光而行 突破瓶頸與制勝未來
中國的光經(jīng)濟版圖，沿著長江經(jīng)濟帶和東部沿海展開了一幅特色鮮明的產業(yè)畫卷。
上游的成渝地區(qū)聚焦光能源、光制造、顯示與傳感技術，成渝地區(qū)新型顯示產業(yè)占全國比重超30%，已建成全球最大的OLED生產基地；成都光明光電的光學玻璃產銷量達全球的40%；瑞聲科技在重慶建設全球最大的WLG鏡片制造工廠。中游的武漢“光谷”聚集了烽火通信、華工激光等企業(yè)，激光切割設備出口至100多個國家。下游的長三角則瞄準光子芯片與量子技術，合肥本源量子推出的24比特超導量子計算機“悟源”，在化學模擬與密碼破解領域展現(xiàn)潛力。此外，長春、北京、上海、深圳等地分別在光學衛(wèi)星、半導體光電子、紅外光學、光通信器件等領域形成了較為完整的產業(yè)鏈，發(fā)展勢能強大。
但背后也有隱憂。在“一大一小”兩個極端領域——空間引力波探測需實現(xiàn)300萬公里距離以上皮米級位移測量，極紫外光刻卻要求在米級大小的鏡面上實現(xiàn)20皮米級表面精度（原子級平整度），我國仍處于追趕階段。例如，“太極計劃”的激光干涉測距精度需達到1皮米，相當于在地球與月球之間測量出一根頭發(fā)絲的直徑變化，其核心弱光鎖相技術已通過“天琴一號”衛(wèi)星驗證，但工程化應用仍需十年左右。此外，高端光學玻璃市場被美國康寧、德國肖特、日本HOYA等壟斷，我國許多特殊玻璃仍需進口。
破解困局需多維度發(fā)力。國家層面，可將光經(jīng)濟納入戰(zhàn)略性新興產業(yè)目錄，設立千億級光子產業(yè)基金，專項支持激光、精密光學和光電裝備、光子芯片等“硬科技”。在成都、武漢、合肥等地建設光經(jīng)濟創(chuàng)新特區(qū)，試點研發(fā)費用加計扣除、數(shù)據(jù)跨境流動等政策。技術上，可借鑒國外一些先進模式，整合東部沿海-長江經(jīng)濟帶-西部戰(zhàn)略腹地的創(chuàng)新資源要素，打造自主可控的技術生態(tài)。國際合作亦不可或缺，可通過共建光技術交易平臺、推動光子新產業(yè)的標準互認，形成光經(jīng)濟“戰(zhàn)略腹地”“前沿高地”“技術高原”等形態(tài)的有機結合。
光經(jīng)濟正在迎來爆發(fā)式增長。到2027年，光通信網(wǎng)絡、新型顯示、激光加工和增材制造等傳統(tǒng)領域有望形成千億級市場；2030年前后，光子芯片、光量子傳感和光量子通信網(wǎng)絡等新技術將完成工程化驗證，成熟度不斷提升；至2035年，全產業(yè)鏈規(guī)模或突破萬億元。中國能否在關鍵領域實現(xiàn)反超并持續(xù)領先，將在很大程度上決定未來世界產業(yè)格局。這場競賽沒有終局，唯有持續(xù)創(chuàng)新者才能永立潮頭。如果把光學比作工業(yè)的“眼睛”，那么光經(jīng)濟將是智能時代的“心臟”，這顆“心臟”的跳動節(jié)奏，可能就影響未來產業(yè)的脈動，而維護“心臟”的健康源于光創(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈的無縫銜接。
（光明日報記者崔興毅采訪整理，作者：羅先剛（中國工程院院士、中國科學院光電技術研究所所長）
來源：光明網(wǎng)
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