深挖激光技術(shù)精髓，為中國(guó)制造正名

智能制造

張珂

激光是二十世紀(jì)六十年代初出現(xiàn)的一門新興科學(xué)技術(shù)，是繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光的獨(dú)特屬性和優(yōu)勢(shì)被開發(fā)出來，應(yīng)用在不同領(lǐng)域，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。

激光真正頻繁地出現(xiàn)在人們的視線中，是超快激光的誕生及應(yīng)用。與傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光及連續(xù)激光不同，超快激光具備的超短脈沖、超強(qiáng)特性，能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)，這使得激光脈沖的頻譜寬度相當(dāng)大，而這樣寬的頻譜又是超快微加工、納米加工、非線性光學(xué)、納米光子學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的理想工具。因此，超快超強(qiáng)激光脈沖與物質(zhì)的相互作用是當(dāng)前最活躍的研究課題之一，代表著當(dāng)今激光前沿技術(shù)的發(fā)展方向。

一直以來，站在制造業(yè)尖端的德國(guó)是激光核心技術(shù)的掌握者，直到幾年前，我國(guó)專門將激光技術(shù)確立為重點(diǎn)科研項(xiàng)目，在2微米光纖激光器和超快光纖激光器研發(fā)領(lǐng)域取得了階段性新進(jìn)展，才打破了中國(guó)工業(yè)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口激光器的歷史，也在國(guó)際激光技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域留下了中國(guó)的痕跡。國(guó)內(nèi)光電子科技領(lǐng)域新銳專家、武漢格雷森實(shí)業(yè)有限公司CTO張珂表示，面對(duì)工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域越來越多、越來越高的精密微細(xì)加工需求，超快激光器的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)迫在眉睫。

改進(jìn)技術(shù)，讓超快激光器走出實(shí)驗(yàn)室

張珂和她背后的武漢格雷森團(tuán)隊(duì)一直致力于激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。浸淫光電子領(lǐng)域近十年，張珂以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和穩(wěn)健的風(fēng)格，帶出了一支國(guó)內(nèi)激光技術(shù)領(lǐng)域的頂尖團(tuán)隊(duì)。在過去七年時(shí)間里，張珂的團(tuán)隊(duì)以改寫超快激光器在科研和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用格局為使命，從高穩(wěn)定性和中紅外可調(diào)諧性兩個(gè)高技術(shù)方向入手展開了諸多探索，自主研發(fā)的2微米光纖激光器首次將光纖激光器的可調(diào)范圍擴(kuò)展到了2微米波段，同時(shí)具備了高度的可定制化和尤其受歡迎的高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，降低了集成商進(jìn)入超快加工或其他科學(xué)應(yīng)用的壁壘，讓超快激光在精密加工和傳感探測(cè)等領(lǐng)域找到更多的用武之地。

張珂介紹說，脈寬短、單脈沖能量大、重復(fù)頻率高將是未來超快激光技術(shù)發(fā)展的主要方向。因此，張珂將光纖激光發(fā)生與超短脈沖技術(shù)相結(jié)合，利用獨(dú)特的超短持續(xù)時(shí)間和極高的峰值功率，開創(chuàng)了超精細(xì)、低損傷的材料加工新領(lǐng)域。

由格雷森團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的超快激光器不僅能夠聚焦到微米尺度的空間區(qū)域，同時(shí)具有極高的峰值功率和超短的脈沖寬度，至使脈沖持續(xù)時(shí)間縮短至皮秒乃至飛秒量級(jí)，遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時(shí)間?！澳芰窟€沒來得及釋放脈沖就已經(jīng)結(jié)束，也就避免了熱量轉(zhuǎn)換及熱擴(kuò)散，大大減少了被加工區(qū)域?qū)χ車牧系挠绊懀瑢?shí)現(xiàn)了真正意義上的激光‘冷’加工?！倍啻卧囼?yàn)數(shù)據(jù)表明，超快激光器作為微加工領(lǐng)域的加工工具能夠?qū)崿F(xiàn)切面整齊，完全無熱擴(kuò)散、微裂紋、熔融區(qū)域的加工需求，甚至實(shí)現(xiàn)了在微納米尺度上對(duì)材料結(jié)構(gòu)的修飾、設(shè)計(jì)。

技術(shù)的改進(jìn)讓超快激光器走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)執(zhí)行精準(zhǔn)細(xì)致的加工任務(wù)。以快速崛起的3C電子行業(yè)為例，透明或者半透明材料的激光加工市場(chǎng)需求巨大，單就OLED來說，2017年全球OLED市場(chǎng)規(guī)模就增長(zhǎng)至192 億美元，預(yù)計(jì)到2019年，全球42%的智能手機(jī)將搭載OLED面板，營(yíng)收將增長(zhǎng)至248億美元，而相關(guān)的OLED激光加工設(shè)備需求也將隨之快速提高。面對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)化越發(fā)迫切的精密加工需求，格雷森超快激光器的市場(chǎng)投放在緊張的推進(jìn)中顯得異常順利，尤其在非金屬加工、薄脆性材料的激光加工領(lǐng)域，超高的應(yīng)用靈活性與性價(jià)比讓其備受關(guān)注。

從合作方的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，張珂主持研發(fā)的高穩(wěn)定性全波段超快激光器在玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷等薄脆易碎材料的切割、鉆孔甚至開槽等加工過程中均表現(xiàn)良好，不僅能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)應(yīng)用商節(jié)省近300萬高額引進(jìn)費(fèi)及相關(guān)高昂的維護(hù)成本，同時(shí)還能省去材料熱損傷造成的浪費(fèi)，即使與引進(jìn)的高端飛秒激光器相比，超快激光器仍能節(jié)省30%～40%的成本費(fèi)用，親民的價(jià)格與完美的工藝，成為了超快激光器廣泛工業(yè)化應(yīng)用的加速器。

轉(zhuǎn)換思路，2微米光纖激光器打開行業(yè)新格局

除了工業(yè)領(lǐng)域，各種類型的激光器也廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物動(dòng)力學(xué)及醫(yī)療領(lǐng)域，如何滿足其在更短時(shí)間、更小的空間尺度、更極端物理?xiàng)l件下的精準(zhǔn)作業(yè)，正逐漸引發(fā)研發(fā)市場(chǎng)的高度關(guān)注。張珂給出了一個(gè)具象的說法：“作為超精密外科手術(shù)刀的超快激光瞬時(shí)功率極高，單純論峰值功率來講，它相當(dāng)于三峽大壩的總裝機(jī)容量。它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，可用于視力矯正手術(shù)，也可用于無痛牙科治療，但不同的用途，對(duì)于激光的波長(zhǎng)輸出也有著不同的要求?！?/p>

如今，很多行業(yè)希望激光器的輸出波長(zhǎng)可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，以更靈活的方式滿足更多高難度作業(yè)的需求。于是，業(yè)內(nèi)掀起了一股“可調(diào)諧激光器”的研發(fā)熱潮，其中，呼聲最高的要數(shù)2微米波長(zhǎng)激光。

2微米波長(zhǎng)激光恰好位于人眼的安全波段，效率高、光束質(zhì)量好，在激光醫(yī)療、傳感、雷達(dá)和空間通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。但在過去的研發(fā)歷程中，能產(chǎn)生2微米左右可調(diào)諧激光的固體激光器大多體積龐大、使用環(huán)境嚴(yán)苛且維護(hù)成本高昂，而電光轉(zhuǎn)換效率更高、更加節(jié)能環(huán)保的光纖激光器在實(shí)現(xiàn)中紅外可調(diào)諧激光的輸出時(shí)，又會(huì)受到泵浦技術(shù)、光纖制備以及脈沖生成等技術(shù)的限制，難點(diǎn)重重，讓2微米可調(diào)諧激光器一度成為國(guó)際激光與光電子行業(yè)公認(rèn)的阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題。

雖然張珂與格雷森團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擁有超快激光器的成功研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但要打破激光輸出波長(zhǎng)的局限，也并非一條坦途。張珂回憶說：“可調(diào)諧激光器與其他激光器的設(shè)計(jì)還是不同的，它需要為應(yīng)用行業(yè)和研究提供極高的時(shí)間分辨率，這就不僅涉及到光電設(shè)計(jì)，對(duì)于電路控制設(shè)計(jì)的參數(shù)、細(xì)節(jié)也同樣要考慮周全?！彪S后，張珂帶領(lǐng)格雷森團(tuán)隊(duì)利用光子晶體光纖中的高非線性效應(yīng),通過波長(zhǎng)變換把傳統(tǒng)波長(zhǎng)處的激光能量轉(zhuǎn)換至新波長(zhǎng)，加之自行研發(fā)的環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)等多種技術(shù)，通過無數(shù)次試驗(yàn)及對(duì)結(jié)果敏感地觀察、總結(jié)與邏輯分析，終于實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)的寬譜可編程調(diào)諧，首次將光纖激光器的可調(diào)范圍擴(kuò)展到了2微米波段，并根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)了一系列2微米光纖激光器產(chǎn)品，讓新技術(shù)迅速得到了應(yīng)用，也將激光器的研發(fā)帶入了全新的階段。

像格雷森團(tuán)隊(duì)推出的其他產(chǎn)品一樣，2微米光纖激光器產(chǎn)品具有出色的功率穩(wěn)定性和非常友好的用戶界面，充分利用全光纖結(jié)構(gòu)緊湊、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性、免維護(hù)和高可靠性等特性，2微米光纖激光器即可用于前沿科學(xué)研究，也可用于大規(guī)模工業(yè)集成應(yīng)用。甩掉了引進(jìn)設(shè)備在知識(shí)與技術(shù)上的額外支出，國(guó)產(chǎn)化的2微米光纖激光器售價(jià)僅為國(guó)外同類產(chǎn)品的一半，同時(shí)出色的可靠性降低了故障概率，超高的性價(jià)比改變了激光器的市場(chǎng)推廣之路。

“激光器作為高科技產(chǎn)品，本身更有價(jià)值，但是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)關(guān)注更多的是價(jià)格，而國(guó)外市場(chǎng)因?yàn)閷?duì)中國(guó)制造的偏見、刻板印象，推廣起來難度可想而知?！辈贿^，2微米光纖激光器通過更高端的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了這兩方面需求的制衡，不僅讓我們看到了一個(gè)不一樣的激光器產(chǎn)業(yè)化流程，也展現(xiàn)了一個(gè)全新的全產(chǎn)業(yè)鏈光電子行業(yè)發(fā)展模式，為我國(guó)乃至全世界的激光技術(shù)研發(fā)打開了全新的格局。

科研為主，工業(yè)應(yīng)用并重發(fā)展

格雷森的系列激光器產(chǎn)品，受到了激光系統(tǒng)集成商、科研機(jī)構(gòu)等大量客戶的好評(píng)與追捧，但與傳統(tǒng)的企業(yè)制造商不同，張珂并不急于全面鋪開激光器的個(gè)性化研發(fā)與應(yīng)用。在張珂看來，超快激光技術(shù)更大的意義，在于它直接推動(dòng)了一批新興學(xué)科與高新技術(shù)的發(fā)展。

“在工業(yè)化領(lǐng)域，以皮秒與飛秒激光器為代表的超快激光自2003年后開始了技術(shù)應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用歷史還沒到10年，卻已經(jīng)演變成一種強(qiáng)大的工業(yè)加工工具。而在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，超快激光器也為超快化學(xué)動(dòng)力學(xué)、微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)、超快信息光子學(xué)與生命科學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。”張珂極其看重它背后蘊(yùn)涵的強(qiáng)大生命力，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家同步，正在致力于開拓更多的應(yīng)用。

毫無疑問，超快激光技術(shù)將在更多新型應(yīng)用領(lǐng)域不斷開疆拓土，為醫(yī)學(xué)、能源、軍事、遠(yuǎn)程通訊和半導(dǎo)體檢驗(yàn)等領(lǐng)域創(chuàng)造全新的實(shí)驗(yàn)室尺度，從而直接推動(dòng)激光科學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)、高能物理與核物理以及非線性科學(xué)等一大批基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。但在過去五年時(shí)間內(nèi)，超快激光器基本上完成了行業(yè)格局的整合，除了極少數(shù)獨(dú)立運(yùn)作的企業(yè)，絕大部分市場(chǎng)份額都僅僅掌握在國(guó)外幾家巨頭企業(yè)手中，我國(guó)激光技術(shù)研發(fā)企業(yè)要想在這一領(lǐng)域內(nèi)嶄露頭角，則需要在技術(shù)與性價(jià)比兩方面作出更出眾的成績(jī)。

張珂說，10年前，超快激光器豈止昂貴能夠形容，一臺(tái)皮秒激光器可達(dá)數(shù)百萬元，近幾年超快激光器價(jià)格已逐步下降，但仍然受困于價(jià)格因素，讓它的應(yīng)用只能局限于科研、醫(yī)療以及高端工業(yè)應(yīng)用，要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，與更多行業(yè)技術(shù)相結(jié)合，超快激光市場(chǎng)還是要經(jīng)歷性價(jià)比的戰(zhàn)場(chǎng)，而當(dāng)下正處在出現(xiàn)重大突破的前夜。批量推出國(guó)產(chǎn)化激光器勢(shì)必會(huì)掀起更加激烈的競(jìng)爭(zhēng)，這既是國(guó)內(nèi)企業(yè)的機(jī)遇，也將為超快激光的發(fā)展帶來無限可能。

作為率先實(shí)現(xiàn)超快光纖激光器國(guó)產(chǎn)化及普及化的國(guó)內(nèi)激光技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，張珂表示，格雷森團(tuán)隊(duì)還將以研究激光器核心技術(shù)為主體，兼顧工業(yè)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，結(jié)合相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)模塊，推動(dòng)激光器產(chǎn)品不斷向智能化、自動(dòng)化、柔性化發(fā)展，以更精密的加工技術(shù)，為中國(guó)制造的正名，為中國(guó)質(zhì)造的揚(yáng)名。

在無數(shù)專家團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年的潛心研發(fā)之后，現(xiàn)如今，我國(guó)自主研發(fā)的激光器應(yīng)用涵蓋了以激光表面工程、激光焊接、激光切割、激光制孔、激光標(biāo)記和激光增材制造等為代表的宏觀制造技術(shù)，以激光微焊接、激光精密切割、激光精密鉆孔及激光燒蝕等為代表的激光微加工技術(shù)，以及以飛秒激光直寫、雙光子聚合、干涉光刻、接觸離子透鏡序列、激光誘導(dǎo)表面納米結(jié)構(gòu)和納米顆粒激光制備等為代表的激光微納制造技術(shù)等研究領(lǐng)域，跨越了毫米、微米和納米多個(gè)尺度，成為舉足輕重的先進(jìn)制造核心技術(shù)，也必將在“中國(guó)制造2025”進(jìn)程中發(fā)揮不可缺少的作用。無論是宏觀制造還是微納制造技術(shù)，均已列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，激光技術(shù)研發(fā)市場(chǎng)前景看好，值得期待。