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揭秘德国光子学产业迅猛发展的背后
来源:OESHOW | 2022/4/15 14:59:41 | 浏览:532 | 评论:0

德国是光学工业的发源地,从十七世纪的普鲁士时期开始,光学工业就已经在德国萌芽。光学界的诸多知名大家也是诞生于此,如约瑟夫·冯·夫琅和费、海因里希·鲁道夫·赫兹、恩斯特·卡尔·阿贝、弗里德里希·奥托·肖特、卡尔·蔡司等,开创性的技术奠定了光学学科的基础。

作为德国发展最快的行业之一,光子学在半导体和医疗技术、光伏、机械工程和航空等领域发挥着关键作用。从计算机断层扫描和汽车传感器到光纤通信和条形码扫描仪,光子学已经成为21世纪生活中必不可少的一部分。

2020年,美国国家航空航天局的“奥西里斯-雷克斯”(OSIRIS-REx)宇宙飞船展开机械臂,从距离地球3.2亿公里远的名为“本努”的远古小行星上收集岩石。这些样本可能蕴含着一些原始的秘密,可得以一窥数十亿年前太阳系最初形成时的样子,以及蕴含的物质可能有助于生物在地球上孕育生命。OSIRIS-REx配备了高度复杂和敏感的光学测量仪器(OCAMS),由Berghof氟塑料技术的黑色光学聚四氟乙烯(PTFE)材料保护,最大限度地减少光干扰。而Berghof正是德国领先的聚四氟乙烯高性能光学材料制造商。

那么,德国的光学产业何以发展的如此迅猛?

最密集的科研机构、最完整的科研体系

“成果”的迅速落地离不开背后的“健全科研体系”。德国拥有世界上最密集的科研机构、高校和完整的科研体系。而享誉世界的当属四大科学联合会——弗劳恩霍夫应用研究促进协会、马克斯·普朗克学会、亥姆霍兹联合会、莱布尼茨学会。

弗劳恩霍夫应用研究促进协会

该协会是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构,成立于1949年3月26日,以德国历史上著名的科学家、发明家和企业家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫命名。

该协会的各研究所为企业及各方面提供科研任务,主要采取“合同科研”的方式。通过“合同科研”的方式,客户享有各研究所雄厚的研发科技积累和高水平的科研队伍的服务,通过研究所的多学科合作,可直接、迅速地得到为其“量身订做”的解决方案和科研成果。

其下属的弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)作为欧洲最大的激光应用研究中心,拥有卓越的人才和雄厚的技术,多年来一直引领着激光应用技术开发的前沿。未来他们计划进一步加强用于生产的高性能激光系统的开发,也将增加用于太空平台的激光系统开发。此外,他们正在为量子技术的光子解决方案建立新能力,并与其合作伙伴在亚琛建立“量子科学技术中心”。同时,他们正与在荷兰代尔夫特的QuTech合作,希望在德国实现第一个量子互联网节点。

马克斯·普朗克科学促进学会

马克斯·普朗克学会,简称MPG,是德国的一个大型科研学术组织,也是国际上规模最大、威望最高和成效最大的由政府资助的自治科学组织。其前身是1911年成立的威廉皇家学会。1948年9月,学会以著名物理学家、诺贝尔奖获得者德国人马克斯·普朗克的名字命名。自成立以来,学会至少走出了33位诺贝尔奖得主。

该协会的研究所涉及物理、工程技术、生物医学、基础科学等众多研究领域,一直致力于国际前沿与尖端的基础性研究工作。各个附属研究所被视作基础研究领域的 “杰出中心”,在国内外享有盛誉。 

亥姆霍兹联合会

德国亥姆霍兹联合会,也译作赫姆霍兹协会,原名“大科学中心联合会”,是德国最大的科研团体,在国际学术界代表着德国的国家科技研究形象。联合会拥有18个国家科研中心(国家实验室),继承了著名的自然科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(1821-1894)的科学精神,主要开展着眼于未来应用的前瞻性基础研究和大科学研究,在能源、地学与环境、医学健康、关键技术、航空航天与交通以及物质结构等 6 个领域从事体现德国国家形象与科研实力的世界一流科学研究。

莱布尼茨学会

德国莱布尼茨学会,中文又译作莱布尼茨协会、莱布尼茨科学联合会等,是一家德国各专业方向研究机构的联合会,研究领域涵盖自然科学、工程科学、环境科学、经济科学、社会科学、地球科学和人文科学,基础科学研究与应用相结合,与高等院校、工业界及其它国内外研究机构合作紧密。

除此之外,大学“卓越计划”也为科研注入了新的活力。在19世纪和20世纪初,德国是诸多强国建设现代大学的榜样,但经过二战浩劫,德国杰出的中世纪大学,在鳞次栉比的世界著名大学之中却并不突出。2005年,为了打造一支“日耳曼常春藤联盟”,德国推出了大学“卓越计划”(Exzellenzinitiative),为大学的科研发展注入活力,也促进了德国高等学府光学科研的发展。例如慕尼黑大学、慕尼黑工业大学、亚琛工业大学、海德堡大学、柏林自由大学等。

耶拿大学也是德国学术科研的中心之一。阿贝光子学中心(ACP)是德国耶拿大学光学和光子学领域科学活动的学术中心,与弗劳恩霍夫耶拿研究所、亥姆霍兹耶拿研究所和莱布尼兹光子技术研究所合作进行研究,并与当地产业以及国际科学界的合作伙伴维持紧密联系。阿贝光子学中心是欧洲领先的光学和光子学研究与教育中心之一,并在光学技术的研发和转让方面一直保持领先地位。

欧洲最大的光子学产业

德国拥有欧洲最大的光子学产业,曾占欧洲大陆产值的41%以上。德国在许多光子学应用领域中,光子学已经发展成为德国最重要的未来产业之一。自2005年以来,德国光电子产业的增长速度是其国内和全球GDP的两倍(每年6%到7%),在全球光子学市场上占有约6%的份额,尤其到2020年这一数字上升到了390亿欧元左右。

德国公司在包括激光技术、照明、显微镜和成像在内的许多光子学领域处于世界领先地位。比如图像处理和测量技术(曾经占22%的全球该行业的市场份额)、医疗技术和生命科学(曾经占19%)、光学元件和系统(曾占18%)、生产技术(曾占15%)代表了德国主要的光电子产业。

从出口率来看,70%左右的出口配额证明了德国自主创新的光电产品的国际竞争力,特别是生产技术部门的出口率特别高,一度达到80%,且医疗技术和生命科学部门的出口率曾在70%以上。总体而言,德国公司在研发上的平均支出占总收入的9%,促使光子学成为德国研究最密集的领域之一。

值得一提的是,“德国制造” 已成为全球“高科技工艺、高质量、可靠”的同义词。在光电行业内,很多德国的中小型高科技企业在细分的市场中都成了“隐形冠军”。据德国Spectaris工业协会统计,之前德国每年向中国出口的光学元器件增长率高达20%,其中光学元件需求最强劲的应用领域是汽车、医疗器械、半导体照明等等。

当前,德国约有千余家企业在该领域开展业务,包括Bosch、Jenoptik、Trump、Schott、Agfa-Ge-vaert、Osram and Laserline、蔡司集团(AG)、徕卡(Leica)、德国Schneider(施耐德)光学公司、RodenStock(罗敦司得)等,业务一直蓬勃发展。

说到产业发展,那就不得不点一下“耶拿”,耶拿位于德国偏东部的图林根州,以光学工业而闻名于世,是德国光学精密仪器制造业中心。

出身于“光学之城”耶拿的德国肖特集团和德国蔡司,在光学透镜领域更是无人不知。肖特经常出现在全球的一些大型光学项目和太阳能领域,而蔡司则在光刻机镜头领域独占鳌头。

德国联邦外贸与投资署(Germany Trade &Invest)光子学高级经理麦克斯•米尔布 雷特(MaxMilbredt)表示,多年来,德国光子学的表现一直优于GDP增长,因此其重要性稳步提高,外国直接投资的兴趣与日俱增。德国市场正在向测量和控制、医疗技术和生产技术转移,很大程度上是由于德国对第四次工业革命实现的努力。

同时,德国的光子学部门得到了联邦和州政府、研究机构、大学和行业协会的支持,例如OptecNet,它代表了全国七个区域性光学技术创新网络。柏林商业与技术合作伙伴光学与光子学集群经理GerritRössle表示,近年来,光学技术的经济增长持续高于平均水平,AR/VR(增强和虚拟现实)、自动驾驶、数字健康、机器视觉和室内农业等新市场创造了新的商业机会。

政产学研的良性合作

德国政府高度重视促进光子科学领域研发创新和产业化发展。德国政府曾表示:要确保德国在未来实现经济繁荣、社会发展和创新能力提升,就离不开光子科学研发创新及其产业发展的有力支撑。德国在光子科学领域研发创新能力和产业化发展位居世界前列。

2005年,德国马普学会的特奥多尔·亨施教授(Theodor W.Hsch)因其在精密光谱学领域所取得的研究成果,获得了当年诺贝尔物理学奖。2009年,德国经济研究所(IW)发布研究报告表示:在未来光子技术产业将超过制药产业成为德国规模最大的产业部门。

2010年,德国联邦教研部组织多个研究机构和行业协会的300多名专家学者,对光子学技术行业创新需求进行了分析,并提出了加大研发经费、促进技术知识转移、产学研结合、强化欧盟内部合作等促进光子科学与产业未来十年发展的8点建议。

在众多政策的支持下,德国在生命科学与医药健康研究领域位居世界先导地位,光子技术产品规模排名世界第二,拥有全球约15%的市场份额和近75%的出口比例。同时,德国约有50多家企业和20多家科研机构在从事光子通讯技术领域研究,德国通讯技术产品出口在世界经合组织中(OECD)排名第三。

德国企业在光学信息通讯行业拥有很强的专利技术优势,如40~100G核心城域网络转发器光纤通讯系统、40G网络收发器光学模块、100G集成相干接收机、100G光纤传输网络及以太网测试器等。

同时,德国光子学技术产品产量位居世界首位,全球市场每4台激光设备中就有一台是德国制造的,技术产品出口率高达70%。

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