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，成為重塑全球產業格局的關鍵力量。
光經濟的崛起，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，讓人類首次系統掌控光的傳播規律；20世紀中葉，激光與光纖的發明，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，光經濟正在突破物理與想象的邊界。
未來10年，光經濟將進入爆發式增長期。對中國而言，這場革命既是歷史性機遇，也是嚴峻考驗。長江經濟帶和東部沿海的光技術產業集群、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，彰顯了我國的戰略雄心。然而，光學和光子產業中的“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星，牛頓通過棱鏡分解白光，這些探索催生了經典光學理論體系。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出了硼硅酸鹽玻璃，具有良好化學穩定性、低熱膨脹系數和高折射率，為光學儀器在不同環境條件下穩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代光學工業的基礎。
20世紀中葉，激光器的發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、醫療與工業加工。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負折射率，讓“完美成像”和“光學隱身”從科幻走向現實；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濟的飛速發展；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”。光經濟至此完成了從輔助工具到獨立經濟形態的蝶變——它不再依附于其他產業，而是通過光子技術的自主創新直接創造價值。例如，美國Lightmatter公司研發的光子AI芯片Envise，通過干涉與衍射實現并行計算，速度可達到Nvidia A100 AI芯片的五倍，且僅消耗六分之一的功耗。
縱觀光經濟的演變歷史，其原動力從20世紀以前的“科學-技術-興趣”協同創新，經過兩次世界大戰以及戰后國際競爭，發展到當前的“科學-技術-需求”驅動。展望未來，光經濟的發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”從科幻邁向現實，為商業核聚變發電鋪平道路。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。
信息傳輸是光經濟的傳統優勢領域，但其邊界仍在不斷擴展。在太空，馬斯克的星鏈計劃通過1.2萬顆衛星構建激光通信網絡，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迄今已發現超過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，使數據中心的數據傳輸速率提升百倍，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。
光子的生物醫學應用，讓人類得以窺見生命的本質。光遺傳學通過向神經元植入光敏蛋白，用藍光精準控制腦區活動，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受體結合的動態過程。在臨床診斷中，光學相干斷層掃描（OCT）可生成視網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焊接工藝制造的數十個部件整合為單一整體結構，耐溫性能達1300℃（超過航空發動機工作極限），在極端振動條件下的疲勞壽命比傳統部件延長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，為北斗衛星導航系統提供時間基準。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。傳統電子芯片受限于發熱與帶寬，而光子芯片通過波導與諧振腔實現光信號處理，能效比提升千倍。美國Lightmatter公司研發的Envise光子處理器，在1平方厘米芯片上集成2000萬個光學元件，專為神經網絡優化設計，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——光子負責大規模并行計算，電子專精邏輯控制，兩者協同突破“馮·諾依曼瓶頸”。
逐光而行 突破瓶頸與制勝未來
中國的光經濟版圖，沿著長江經濟帶和東部沿海展開了一幅特色鮮明的產業畫卷。
上游的成渝地區聚焦光能源、光制造、顯示與傳感技術，成渝地區新型顯示產業占全國比重超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，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潛力。此外，長春、北京、上海、深圳等地分別在光學衛星、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鏈，發展勢能強大。
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絲的直徑變化，其核心弱光鎖相技術已通過“天琴一號”衛星驗證，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力。國家層面，可將光經濟納入戰略性新興產業目錄，設立千億級光子產業基金，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、合肥等地建設光經濟創新特區，試點研發費用加計扣除、數據跨境流動等政策。技術上，可借鑒國外一些先進模式，整合東部沿海-長江經濟帶-西部戰略腹地的創新資源要素，打造自主可控的技術生態。國際合作亦不可或缺，可通過共建光技術交易平臺、推動光子新產業的標準互認，形成光經濟“戰略腹地”“前沿高地”“技術高原”等形態的有機結合。
光經濟正在迎來爆發式增長。到2027年，光通信網絡、新型顯示、激光加工和增材制造等傳統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，全產業鏈規模或突破萬億元。中國能否在關鍵領域實現反超并持續領先，將在很大程度上決定未來世界產業格局。這場競賽沒有終局，唯有持續創新者才能永立潮頭。如果把光學比作工業的“眼睛”，那么光經濟將是智能時代的“心臟”，這顆“心臟”的跳動節奏，可能就影響未來產業的脈動，而維護“心臟”的健康源于光創新鏈和產業鏈的無縫銜接。
（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
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