用于科学研究和工业自动化

Innofocus FBG制造系统是一种为高效飞秒激光直写FBG专门设计的具有专利保护的全自动加工系统，具有极大的简便性，灵活性，可靠性，可重复性和高产率。Innofocus FBG制造系统属于一键操作系统，它可以自动识别光纤纤芯和制造位置，然后在加工中追踪纤芯位置，高精度，高效完成制造过程，从而提供研发和大规模工业应用所需的一致性，可靠性，速度和灵活性。

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图例：软件自动寻找光纤纤芯，此种情况即为焦点已位于纤芯上。

图例：对于倾斜和弯曲的光纤，Innofocus系统也可以实现让焦点始终位于纤芯上。

中心波长: 1540.645 nm

栅区长度: 3 mm

反射率: 97.1%

边模抑制比( SLSR ): 15.56dB-7.02dB =8.54dB

3db带宽: 0.17 nm

光纤类型: SMF-28

获奖展示

Innofocus FBG制造系统是一种为高效飞秒激光直写FBG专门设计的具有专利保护的全自动加工系统，具有极大的简便性，灵活性，可靠性，可重复性和高产率。Innofocus全球领先的技术与产品性能，得到科研与产业界的广泛认可，并被美国Semiconductor Review评选为Top 10 Photonics Solution Providers in APAC 2021（2021亚太十佳光子学解决方案提供商）。

德国InnoLas公司在2022年刚闭幕的德国慕尼黑激光展上正式推出了超高稳定性的高能量脉冲Nd:YAG激光器SpitLight 7000 Heavy Duty（简称HD）型号。这是InnoLas公司在欧洲DESY项目累计成功交付4套并稳定运行整整一年之后，正式推出的升级型号；在原有的SpitLight 7000的基础上，将稳定性相关方面的参数大幅提高！Heavy Duty直译成汉语仅仅是“耐久、耐磨”的意思，代表着高可靠性；但厂家的设计初衷不止于此，意译为“重装”结合“重器”才更为贴切。为什么这么说呢？下面我们展开来解读：

首先，在知名的DESY（位于德国汉堡的德国电子同步辐射设施），这款激光器是用来泵浦强激光系统（TW）。由于泵浦钛宝石需要用长焦聚焦镜把泵浦光能量聚焦于钛宝石晶体之中，因此对泵浦激光器能量稳定性、指向稳定性、能量分布（模式）平顶度要求极其苛刻；一般传统设计下的高能量YAG激光器，在>2J的高能量下优先保证的是高能输出，以上几个参数可以做到出色但绝对称不上苛刻的。

我们先看一下SpitLight Heavy Duty发布的各项参数：

这个系列分成两个型号，分别对应4J@532nm和>6J@532nm的单脉冲能量，下面我们分别就能量分布（模式）能量稳定性、指向稳定性进行解读。

SpitLight HD平顶能量分布，光斑模式非常好，适应钛宝石强激光泵浦和冲击强化应用要求！

SpitLight7000 HD的平顶光斑

SpitLight7000 HD的平顶光斑

• 而SL7000是为钛宝石飞秒强激光系统（TW/PW）泵浦而设计的——平顶能量分布极其重要！

• 像激光冲击强化这类应用，就可能需要根据实际情况在平顶能量分布和高斯分布之间做出选择。

从下图实测的数据来看，532nm波长绿光的长期能量稳定性从本身就出色的<1.3%进一步提高到了<0.8%，而且是连续测试了24h的表现，以往给出的一般都是8h的结果。

解读：客观的说，其实要达到一个能量指标的稳定性并不是很难（比如1000个脉冲），国内产品也能做到；难点在：一方面如何长时间的保证它持续稳定（比如8~24小时），另一方面在当激光器面临环境挑战，能不能数年如一日的保持住这个指标不严重劣化。在国内外很多的用户现场，头痛的是起初购买的时候稳定性方面的指标还算不错，质保期内也没有什么大问题，但使用了不超过2-3年，不仅能量掉得有点厉害，而且能量稳定性也劣化了，不确定度变高了不止一筹——而这样的情况对加工类的使用和泵浦类的使用负面影响极大。

下面我们对比一下SpitLight 7000和，SpitLight 7000 HD的技术指标：

SpitLight 7000 HD的技术指标进一步提高！

解读：对于像泵浦钛宝石这样需要用长焦聚焦镜把泵浦光能量聚焦于钛宝石晶体之中的应用，包括其他希望光斑在工作面的抖动越小越好的应用来说，指向稳定性都是一项非常重要的指标，这块受YAG激光器增益原理和光学设计的限制，很难进一步大幅提升，普遍就是±50µrad的指标；SpitLight HD这次将其提升到远小于30µrad，且是(24h)长效稳定，是很厉害的，走在世界前列。

• 在光学结构上，SpitLight HD比SpitLight2000( 2J型号)增加了2级灯泵浦Nd:YAG放大，能量上升到4J和6J两档。
  

• 在机械结构上，SpitLight HD和SpitLight系列其他激光器一样，是全一体化全铸铝结构,采用的航空级铝材——结构强度高，稳定、可靠、隔振隔热效果好，完全达到工程化的7*24的使用要求！

• 在陶瓷谐振腔体上，SpitLight HD的激光腔采用特设的陶瓷腔设计,腔体本身可以终生工作,无需任何维护和更换备件!

• SpitLight HD，也可以加种子实现单纵模单频输出，线宽100MHz。

  
  

上图是安装于DESY的SL7000，激光头体积只有665mm x 478mm x 125mm(长x宽x高)。激光头和电源体积均大大减小，紧凑、占空间少，这是很多客户喜欢SpitLight的一个重要原因

INNOLAS针对高端工业应用的266nm四倍频器还开发了一套极致抵抗恶劣环境，提高稳定性的自动单元稳定器，包含以下功能：

1）在线能量测量模块

2）密封防尘及主动除尘机制

3）对湿气的密封式保护和集成除湿

● 关于SpitLight HD系列这种YAG灯泵激光器的重复频率，有的客户还不清楚是怎么回事，经常会问我们能不能做到单脉冲或可调节？在这里说明一下：一律是可调的，叫分档可调:例如10Hz/5Hz/3.3Hz/2Hz/1Hz（最大频率的整数分之一），这是由灯泵浦YAG激光器的热透镜效应决定的。

InnoLas公司做为脉动科技创建伊始便建立合作关系的资深纳秒激光器制造商,见证了脉动科技多年来的一步步成长。同时，脉动科技作为InnoLas公司在中国区的独家代理商，也对InnoLas激光器在中国科研及工业领域的逐步拓展功不可没。预祝破茧成蝶的InnoLas激光器携手脉动科技在2022-23年度的市场表现方面再上一个新台阶！

中国工业激光市场在 2019 冠状病毒病、关税壁垒、全球供应链中断的情况下，持续增长。 激光和光子学公司在这个全球最大的成长型市场中发展，正变得比以往任何时候都更具挑战性，而美国和中国之间的紧张关系仍然严重，并可能恶化。 本文介绍了 2021 年中国激光市场的年度表现，重点分析了中国激光市场的发展趋势，并提出了在世界新秩序下引导中国激光市场的策略。 预计到 2022 年，中国激光市场将再次出现两位数的增长。

中国经济的现状

2021年，中国国内生产总值(GDP)增长了8.1%。因此，在过去的两年里，平均年增长率为5.1%。中国经济规模大于欧盟加英国，名义上约占美国经济的77%。普遍共识是，未来五年，中国GDP年增长率将在5%的范围内，而美国的年增长率将在3%的范围内。事实上，中国政府刚刚在最近的“两会”上将2022年的GDP目标设定为5.5%。

在中国实施“中国制造2025”计划之前，为了评估中国在世界制造业实力排名中所处的位置，中国工程院(CAE)制定了制造业实力发展指数(manufacturing power development index)，以评估世界各国的制造能力和排名。自2015年起每年发布一次，已成为中国政府客观评价中国制造业整体水平的权威指标。根据最新发布的数据，美国领先，其次是德国和日本。中国是第三梯队。2021年，中国的指数上升了5.18点，达到116.02，非常接近日本的117.16。这将使中国在2025年前与德国和日本一起进入第二梯队(图1)。

图1由中国工程院开发的“制造业实力发展指数”自2015年以来每年发布一次，是中国政府用来评估中国制造业整体水平的工具。

中国在2011年左右达到了所谓的“刘易斯拐点”，过去30年的人口红利已经用完了。如今，中国正处于工程师红利时代，中国每年有1000万大学毕业生中，有600万拥有STEM学位，是美国的6倍。此外，中国还有1亿工程技术人员。其庞大的工程人才库使中国公司在研发成本方面比海外同行具有显著的竞争优势(图2)。

图2中国经济发展的两个30年周期。第一个时期(1981 - 2011年)是由9亿低成本劳动力的人口红利驱动的。下一个时期(2011 - 2041)是由1亿技术人员和工程师的工程师红利驱动的，中国继续每年产生600万工程师。

中国激光市场是世界上最大的工业激光市场。回顾2020年，中国激光产业全年实现了10个百分点的正增长，远远超出预期，2021中国激光产业继续保持增长趋势。2021，该国激光设备市场的总体规模同比增长18.3%，达到创纪录的129亿美元（图3）。在中国从旧的低技术产业向新的高技术产业转型的过程中，激光技术的应用已成为许多制造业提高产品质量、降低成本、最终提高竞争力的关键。

图3 2011至2021中国激光市场规模。

仅工业激光市场就约为80亿美元，其中激光切割占40%，其次是激光焊接（14%）、激光标记（13%）、semi/显示（12%）、精密加工（9%）、非金属加工（7%）和其他（6%）。

光纤激光器市场

中国是世界上最大的光纤激光器市场。2021，其光纤激光器市场增长15.3%，达到17.1亿美元，占全球市场的63%。6千瓦功率水平的出货量显著增加，10千瓦激光器的销售更具爆炸性。12kw和20kw成为我国板材切割的主要激光源。

2021，国产光纤激光器在中国市场的份额达到60.4%，而2017年仅为33.6%。功率为1千瓦或以下的光纤激光器均由中国公司制造，90%由Raycus和Max Photonics制造。1至3千瓦和3至6千瓦的国产化率分别达到92%和86%，而6千瓦以上的国产化率几乎是两半：目前6至10千瓦和10至40千瓦的国产化率分别为51%和49%（图4）。

图4 2018年与2021中国高功率光纤激光器国产化趋势。

超快激光市场

在半导体、显示器制造和玻璃加工需求的推动下，中国的超快激光市场正在快速增长。2021，超过45家制造商在中国共售出2400台激光器。销售的超快激光器中95%是皮秒激光器。飞秒激光只占据了很小的市场份额。国产激光器占总销量的55%，但仅占总收入的30%，这表明国产超快激光器的功率水平较低，大多在10至50瓦之间，而进口激光器则用于更高功率的应用。

2021，基于超快激光的系统的总收入达到8.83亿美元。蓝宝石/玻璃切割占48%，其次是柔性印刷电路切割占32%，玻璃内部QR编码占8%，OLED占3%，半导体占3%，研发占3%，标记占2%。随着新应用的出现，这种组合肯定会发生变化（图5）。

图5中国超快激光市场格局。

与光纤激光器一样，超快激光器的价格也在下降，尤其是在红外和紫外波长功率低于50瓦的情况下，2021的价格下降了30%以上。

在5G微处理、AR/VR、人工智能、更高精度芯片、更高分辨率屏幕和各种柔性材料的高需求推动下，中国的超快激光市场在未来几年将继续以非常快的速度增长。

MicroLED激光加工设备市场

MicroLED是一种相对较新的技术，可用于制作高分辨率显示器，具有优异的性能，可以经济地扩展到非常大的尺寸，很容易超过20英尺（6米）。MicroLED显示屏将发展成为一个价值超过100亿美元的市场，激光将在通过激光剥离（LLO）和激光诱导前向转移（lift）技术制造MicroLED方面发挥关键作用。自2013年以来，韩氏激光公司一直在使用自己的准分子激光器开发这些系统。2021，他们的升降机和LLO设备在当地显示器制造商进行了安装和测试。提升机的定位精度为±1µm，传输速度高达100 m/h，LLO系统可处理的最小尺寸为10µm，间距为10µm，剥离率为99.9%。

激光切割市场

激光切割设备一直是中国激光加工设备市场的最大细分市场。2021，收入和发货量大幅增长。尽管新冠肺炎疫情的传播加剧，但与基础设施、交通、通信、电厂、农业和其他行业密切相关的工程机械和特种车辆订单数量并未受到影响。事实上，2021上半年，国内订单有所增加。总收入达到43.4亿美元。

除了传统的激光平板切割机和激光管切割机外，大幅面坡口切割机以及用于热成型板材的三维、五轴激光切割机近年来也变得很流行。

2021下半年，紧张的市场状况导致激光切割设备市场出现一定程度的下滑。总体而言，其年增长率仍为7.4%。

激光焊接市场

在传统产业转型升级的推动下，国内市场对大功率激光焊接设备需求旺盛。去年需求持续增长，包括对电池激光焊接的需求不断增加。非金属材料的激光焊接需求也显著增长。2021激光焊接市场为25.2亿美元，年增长率为26%。

自2019年以来，手持式激光焊接设备在中国蓬勃发展。2020年和2021，手持式焊接设备的总发货量分别为80000台和100000台。

这种繁荣是由几个因素造成的，包括光纤和二极管激光器的低成本、设备本身的低入门门槛、脉冲焊接、准连续焊接和连续焊接之间的轻松切换，以及能够处理工件的各种复杂焊接。

激光清洗和激光辅助制造市场其他激光设备应用，包括激光清洗和激光辅助制造，正在取得巨大进展。随着人们对能源效率和环境保护要求的提高，传统的工业清洗方法正逐渐被淘汰，并被激光清洗所取代。这个市场在中国相对较新。2018年以来，国内激光清洗设备市场开始上升，每年都有各种新机型出现。激光清洗机具有广阔的市场潜力，可广泛应用于模具、桥梁、铁路轨道、武器和机械设备、电子设备、精密仪器、文物的清洗，也可用于飞机和船舶的油漆清除。2021，中国激光清洗设备的市场规模达到7300万美元，预计2023年将达到1亿美元。

激光增材制造市场继续成熟并快速增长。2021首次达到20多亿美元。光纤激光器的低成本，以及用于激光3D打印过程的各种激光控制技术和光束操纵，加速了其发展。

图6亚洲区域经济一体化——RCEP（区域全面经济伙伴关系，11个国家）和CPTPP（跨太平洋伙伴关系全面渐进协议，15个国家）。

STAR Market——面向高科技公司的中国新证券交易平台

2021，中国激光产业成为资本市场的宠儿。上海证券交易所科技创新板明星市场于2019年6月13日启动。这是一个以注册为基础的系统，针对具有潜在高增长和强大研发能力，但收入和净利润低于标准的高科技公司。平台不再把净利润放在首位，因此增加了资本市场对创新经济的容忍度。

亚洲区域一体化另一个值得注意的发展是，《区域全面经济伙伴关系》（RCEP）于2022年1月1日生效，而《跨太平洋伙伴关系全面协定》（Comprehensive and Progressive Agreement for Trans-PacificPartnership，CPTPP）于2018年12月28日生效。这两项贸易协定为亚洲区域经济一体化奠定了基础，并将对激光产业产生重要影响。

中国激光市场展望

光纤激光器、激光切割机、超快激光器和上游光学设备的恶性价格战将逐渐演变为与定制解决方案的竞争。对客户需求和服务的快速响应将是比价格更重要的因素。拥有一支高素质的工程团队，一个可靠及时的服务网络，将为企业带来巨大的竞争优势。

中国激光产业的资本投资正在增加，政府尤其是地方政府通过其产业政策和“激光产业园或集群”提供的支持也在增加。这些激光园区旨在实现产业规模和集群，并为当地产业链提供支持。这些措施将为中国激光产业带来巨大优势。人们预计，在未来五年，即中国的“十四五”期间，中国将建立许多这样的激光公园。

2022年中国工业激光器市场的年增长率预计在10%左右。

高功率半导体激光器和微光学的全球供应商——炬光科技发布了蓝光弯月型慢轴准直镜。此款新型慢轴准直镜采用凹凸双面非球面柱形设计，有效焦距为9.7 mm，可用于蓝光半导体激光器慢轴准直。

弯月型蓝光慢轴准直镜

炬光科技主要从事激光行业上游的高功率半导体激光元器件（“产生光子”）、激光光学元器件（“调控光子”）的研发、生产和销售，目前正在拓展激光行业中游的光子应用模块和系统（“提供解决方案”，包括激光雷达发射模组和UV-L光学系统等）的研发、生产和销售。公司自成立以来始终专注光子技术基础科学研发和拓展潜在创新的应用领域。公司产品应用于先进制造、医疗健康、科学研究、汽车应用、消费电子五大领域。

信息时代的发展需要建立覆盖范围更广、传输速率更快、传输容量更大的通信网络系统。作为被普遍看好的下一代空间通信技术，空间激光通信有着传统微波通信无法比拟的众多优势：

（1）通信容量大。激光的频率比微波高3～4个数量级，频段更宽，短时间内可传输大量数据；

（2）通信速率高、功耗低。激光通信的速率能达到10Gbit/s，甚至更高。传输过程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低；

（3）抗干扰能力强。激光的束散角极窄，不容易被侦收和干扰。

在此背景下，以激光为信息载体的空间通信系统得到越来越多的关注，空间通信技术也逐步发展并引发各国研究热潮，并取得了很大进展。

图1  卫星激光通信示意图

空间激光通信由发射和接收系统构成，发射端将激光放大到足够功率，向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据）；接收端通过光学天线将收集到的光信号进行放大，然后检测有用信号，其原理如图1所示。由于是自由空间光通信，通信链路中无法实现中继放大，因此除了要保证比较高的调制速率外，还需要能有较大的发射光功率。这就导致半导体激光器在空间通信系统中具有无法逾越的瓶颈。然而，1550nm光纤激光由于处于现有通信系统波段，可以通过铒纤和铒镱共掺光纤进行放大，输出功率高，抗干扰能力强，因此成为空间激光通信系统首选激光光源。

空间通信距离一般都很远，因此激光信号需要放大器进行足够放大，才能将光信号传输的更远。到达接收端时，长距离的传输使信号变得非常微弱，也需要将信号再次进行放大，才能进行解调。因此，掺铒光纤放大器的出现使1550nm空间激光通信成为可能。随着空间通信技术的不断发展，掺铒及铒镱共掺光纤放大器凭借宽带宽、低损耗的光学性能和轻重量等优点受到广泛关注，并成功搭载在卫星上承担空间通信、数据传输等任务，目前其数据传输速率可达TB/s量级成为了1550nm空间激光通信的关键核心器件。

另外，卫星空间通信系统多处于太空中，大量辐射粒子严重影响器件的寿命。因此，掺铒及铒镱共掺放大器必须具备抗辐照性能，其严重依赖于抗辐照铒纤及铒镱共掺光纤。国内抗辐照铒纤及铒镱光纤又严重依赖进口，这严重制约了我国空间激光通信的发展。

器械之家获悉，4月22日，北京大学拍瓦激光质子加速器装置研究与应用水平束线磁铁系统采购项目公开招标信息公示：北京大学预花费985万元采购拍瓦激光质子加速器装置研究与应用水平束线磁铁系统一套。根据公示信息，该磁铁系统主要为激光加速后的质子束在水平束流线传输过程中提供聚焦、选能、导向、轨道校正、分布均匀化、扫描等功能，保证束流传输效率和束流质量。

据了解，项目属于国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”专项，项目落地位于怀柔科学城核心区的激光加速创新中心，建设激光加速器研究平台。该项目基于重频拍瓦激光器的激光质子加速器，针对肿瘤质子治疗，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的激光质子放疗系统，最终完成能满足医院治疗需求的激光质子放疗产品样机，逐步实现产业化，安装在各大医院现场，以期能够大幅降低癌症患者的治疗费用，推动质子治疗在我国的普及。

十余载埋首为“加速”

首个国产激光质子加速器项目

 

怀柔科学城激光加速创新中心项目占地面积近30000平方米，共分为三个区域，A区为普通实验室，B区主要为激光实验室，C区放置提供氮气、真空等实验条件的设施。项目拟建设世界技术最先进、功能最完整的激光加速技术及应用研发平台，包括激光质子加速应用研究平台、工艺支撑平台、激光质子放疗系统研发平台等6个平台，以及实验室专用机房、普通实验室机房、实验室配套设施、研发用房等配套设施，并购买和安装相关实验设备。

 

激光加速器实验室概况

 

由于项目对建筑结构有防辐射、减震等特殊要求，基础结构中存在筏板厚度2米，局部3米的超厚大体积混凝土工程，最大一次性浇筑方量为2708m³，因此建筑基础结构的混凝土浇筑尤为关键。工程筏板采用“跳仓法”施工，并严格控制混凝土配比、浇筑过程等变量，保证了工程质量符合实验室需求。

“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目针对肿瘤治疗需求，突破拍瓦级激光器、高对比度和高光强激光品质控制、拍瓦级激光器高重频自动化打靶、先进纳米靶材高品质大批量制备、百兆电子伏量级高能质子产生、超高流强消色散质子束传输、大能散质子束能谱剪裁、激光质子束治疗头、面向激光质子束的放疗计划系统等一系列关键技术，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的激光质子放疗系统，并开发相关软件和数据库，实现质子放射肿瘤治疗。

 

早在十多年前，北大科研团队就开始在激光加速器领域的不懈求索。2008年，颜学庆团队提出了激光稳相光压方法加速离子的原理。2010年，颜学庆从德国马普量子光学所访学归来，深感中国的医疗、生物等领域亟需激光加速器的助力，于是着手筹备建立激光加速器实验室。

 

百兆电子伏激光质子加速器样机

 

2012年，陈佳洱院士、颜学庆教授领衔的项目“超小型激光离子加速器及其关键技术研发”获得国家重大科学仪器设备开发专项立项。颜学庆教授领导的团队基于原创的激光稳相光压加速新方法，以具有自主知识产权的超小型激光离子加速器设备研发为突破口, 在2012至2017五年间开展了高梯度激光离子加速器的研制工作，在攻克“高对比度高功率飞秒激光”“自支撑纳米薄膜靶”“激光等离子体透镜”“激光驱动超高流强离子束传输”等一系列关键技术后，建成国际首台1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和电量（<2～30 pC/束团）可调的激光质子加速器与辐照装置。

 

鉴于证实了激光加速器可以实现束流单能性、稳定性和可控性，实现了从激光加速到激光质子加速器的关键性跨越，该项工作被授予2019年世界加速器物理大会Hogil Kim加速器奖。同时，这一项目也受到国家领导人的重视。2018年北大120周年校庆前夕，习总书记到北大考察时，颜学庆向其汇报了激光加速器的研发和建设过程，并自豪地说：“从样机的建造到不断完善，并建成第一台真正的激光质子加速器，整个过程都是我们中国人自己完成的。”

 

2018年5月，颜学庆教授在“北京大学理工医科5年成就展”上，展示了世界上首台质子能量可调1%能散激光加速器装置。2019年12月，重点专项“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目正式批复。2020年6月，项目启动会召开，2021年5月，北京激光加速创新中心项目主体结构封顶；7月，项目主体结构完工，完成总工程量50%；计划2022年6月竣工验收。

相比大型传统质子加速器

激光加速器有哪些独特优势？

自世界上建造第一台加速器以来，人类对微观物质世界的认识逐步深入，基础物理研究取得了巨大的成就。加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，是人们对物质深层结构进行研究的重要工具。

 

加速器设备一般受到规模大、投资多和运行成本高昂制约，通常只存在于少数几个大型国家实验室。经费、空间和场地的限制和有限的束流时间难以满足肿瘤治疗和高亮度X光源（如四代自由电子激光）等众多的应用需要。

 

首台激光驱动百MeV质子放疗装置效果图

 

激光加速器的电场梯度比常规射频加速器高三个量级以上，可以让加速器的尺寸缩小千倍，让应用加速器变成“台面大小”，不再“昂贵”、“庞大”，可以落户中小型实验室和研究所。北京大学激光加速器实验室国际上首次提出激光稳相加速新原理和临界密度等离子体透镜新方法，首次开展和证实稳相加速实验，两次打破了飞秒激光驱动碳离子的能量记录，有望推动新型加速器走向应用。

 

实验室将进一步致力于开展激光等离子体相互作用过程中的加速和辐射问题研究，从理论上探索产生TeV～PeV高能粒子的可行性，同时在未来几年内建造新型超小型台面激光粒子加速器和开展癌症治疗、等离子体诊断和离子快点火聚变等应用研究。

 

北京大学已建成CLAPA激光加速器系统

 

北京激光加速创新中心围绕激光驱动高能带电离子束的产生及其在聚变能源、空间辐射模拟、生物辐照和超快离子束应用等方面展开研究，促进激光加速器与能源、生物以及材料等学科的交叉融合，为辐射医学、前沿物理、先进材料等领域重要科学问题的研究提供条件。

 

项目负责人、北京大学物理学院副院长、核物理与核技术国家重点实验室副主任颜学庆教授介绍：“激光加速器利用超高峰值功率的脉冲激光与靶材相互作用产生的瞬态高强度静电场加速质子，仅需数百微米就可将质子加速到百兆电子伏量级，产生的质子束具有宽能谱、脉冲短（皮秒量级）、源尺寸小（微米）及能量转换效率高等特点。利用高磁场梯度的超小型脉冲磁铁对靶后质子流进行收集与控制，可获得与传统加速器品质相当的单能或宽谱质子束流。”

 

上图：（左图）相比于电子和光子，质子在介质中传播时具有深处的电离峰，可用于治疗体内深处肿瘤；（右图）瓦里安公司的ProBeam质子治疗系统在全球各地市场发展迅速。下图：北京大学CLAPA实验室激光质子加速束线，激光驱动的离子加速有望大大降低质子/重离子放疗成本

 

相比大型的传统质子加速器，激光加速器有哪些独特优势？颜学庆说：“激光加速器在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面有独特优势。基于激光加速器的激光质子放疗系统一旦研制成功，将可以安装在各大医院现场，能够大幅降低癌症患者的治疗费用，推动质子放疗在我国的普及。”

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激光加速器应用于质子放疗

有作为新一代系统加速器的可能性

与传统放疗相比，质子放疗至少有四个方面的优势：提高肿瘤照射水平、提高局部控制率、减少并发症，以及加强化疗的效果。所有适合放疗的肿瘤患者都是质子治疗的适应人群。尤其对于早期肿瘤患者，质子治疗的五年生存率达到80%以上。

 

由于儿童对放射线敏感性的高于成人，传统的放射治疗会造成儿童肝脏、肾脏、脊髓、卵巢或睾丸等重要器官的放射性损伤。质子治疗可以通过精确“定向定点爆破”技术，使重要器官和组织免受损伤，从而解决了儿童患者放射治疗中的难题。对于有重要器官包绕的肿瘤来说，质子治疗也显示了极大的优越性。质子放射治疗在未来20-30年内有可能会成为肿瘤放射治疗的主流手段。

 

质子射线与x光射线在人体中能量衰变曲线对比

 

目前质子放疗设备主要采用的加速器是传统的射频加速器（包括同步加速器与回旋加速器）。据国际粒子治疗合作组织(PTCOG)的统计数据显示，截至2016年7月26日，全球运营中的质子重离子治疗中心数量为64家，主要分布于美国、欧洲和日本等发达国家及地区；全世界每年有上万人接受质子治疗。

 

离子束治癌的先驱性研究起源于美国的劳伦斯伯克利实验室(LBNL)，1946年，首先由wilson提出将质子束应用于医学。20世纪80年代以来，由于X射线断层照相CT和核磁共振成像MRI等技术在科技先进国家中逐渐普及，质子治癌取得较大发展。

 

1992年，美国Loma-Linda大学启用了医学专用质子装置，开创了质子放疗技术的新纪元，正式宣告质子放疗进入了医学领域，确定其在应用中的地位。1985 年成立了国际性的质子治疗合作组(PTCOG)，进行世界范围内的质子课题合作研究。

 

根据PTCOG 2017年底的统计，全球的质子治疗中心截止到17年底共有66个正常运行，其中美国有27个，欧洲有16个，日本有13个，俄罗斯有3个，中国有2个，韩国2个，加拿大和南非各有1个，共有174512例肿瘤患者做过粒子治疗，其中质子治疗肿瘤患者 149345例，占总治疗人数的85.58%，碳粒子治疗肿瘤患者21580例，占总治疗人数的12.37%，质子治疗的疗效被广泛认可和充分肯定。

 

全球主导质子治疗系统设备提供商

据不完全统计，我国目前各大城市报批的质子治疗中心申请项目有70多项，国家卫健委对其持谨慎态度，很大一部分原因是目前国内商品化的质子治疗系统还没有研制成功，基本所有的设备都需要从国外企业进口，70多个项目一旦批复，相当于会有上百亿美金流向海外，进一步推动海外企业技术升级，巩固他们的产业领先地位。

 

因此，从国家战略层面上，我国目前急需自主研制国产化质子治疗设备。虽然我国质子治疗设备的自主研发工作已在开展中，但目前与国际水平差距仍非常大，短时间内无法撼动国外质子治疗设备的垄断地位。

 

在医疗器械领域，国外厂商利用先发技术优势，通过快速迭代产品、降低成本、提升用户体验等方法压缩国产设备市场份额的例子屡见不鲜。以直线加速器X射线放疗设备为例，我国已发展了40多年，但该类型的产品依然主要依靠进口。10MV高能直线加速器国内产品稳定度很低，几乎没有市场，6MV低能直线加速器也在产品各项性能上与国外同类产品有较大差距，Varian、Elekta等公司的产品售价2000多万元，却占据90%以上市场，国产设备售价500万元反而没有市场，即国产设备并没有给进口设备带来任何的市场冲击。

 

首台国产质子治疗装置

 

从这个角度来看，国外已处于绝对领先水平的先进技术设备，国内如果沿相同技术路线追赶，是一个非常漫长的过程，甚至有可能差距越拉越大。

 

激光加速器有作为新一代质子放疗系统的加速器的可能性。相比于大型的传统质子加速器，激光加速器有望未来在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面有优势。可以预期，基于激光加速器的激光质子放疗系统一旦研制成功，我国将有很大机会占领激光质子放疗设备的产业制高点，在大型医疗设备领域一举改变长期以来“国外领跑，国内跟跑”的模式，实现“弯道超车”。因此，尽快开展激光质子治疗系统的研制具有非常重大的产业意义。