實現(xiàn)“冷”加工超快激光推動多領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步

文/本刊記者 宋 莉

實現(xiàn)“冷”加工超快激光推動多領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步

文/本刊記者 宋 莉

張 珂

隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，超快激光由于其優(yōu)異的性能越來越受到相關(guān)行業(yè)的青睞。武漢格雷森實業(yè)有限公司首席技術(shù)官張珂近年來在超快激光技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了矚目的成績，她研發(fā)出2微米可調(diào)諧激光器，在國際上首次將光纖激光器的可調(diào)范圍擴(kuò)展到了2微米波段。近日，張珂向記者介紹了超快激光的先進(jìn)之處，及其在生產(chǎn)生活領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。

《中國科技財富》：激光技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科研的方方面面，可以說是無處不在，是什么原因使激光具有如此廣泛的應(yīng)用性呢？

張珂：激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。與其它光源相比，激光的優(yōu)異特性決定了它的應(yīng)用價值：激光具有優(yōu)異的方向性，它以細(xì)光束從激光器輸出，空間傳播過程中，光束的發(fā)散度極小接近平行；激光具有高單色性，激光器發(fā)出的全部光輻射只集中在較窄的頻率范圍內(nèi)，使激光輻射具有較高的單色性；激光具有高亮度性，能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體，大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高；激光具有高相干性，它的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區(qū)的光強(qiáng)分布會出現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)弱相間現(xiàn)象，使閃光時間極短。這些特性使激光在生產(chǎn)、科研和軍事領(lǐng)域都具有重要的用途，已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)療手術(shù)、氣體分子檢測、光譜學(xué)分析、硅光子學(xué)研究和等多個方面。

《中國科技財富》：隨著社會各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，激光的用途越來越廣，激光技術(shù)也在與時俱進(jìn)。目前激光技術(shù)發(fā)展情況如何呢？

張珂：可以說激光技術(shù)與各行各業(yè)技術(shù)的進(jìn)步是相輔相成的，目前，許多行業(yè)對激光技術(shù)的要求已經(jīng)從以前的納秒量別提高到皮秒和飛秒量級，以便滿足更加精細(xì)、更加高質(zhì)量的應(yīng)用需求。而超快激光的出現(xiàn)則滿足了許多領(lǐng)域的更高需要，成為當(dāng)前激光領(lǐng)域中比較先進(jìn)的前沿技術(shù)，也成為眾多技術(shù)人員研究的熱門。超快激光具備獨特的超短脈沖、超強(qiáng)特性，能夠聚焦到微米尺度的空間區(qū)域，具有非常高的瞬時功率，可達(dá)到百萬億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場的強(qiáng)度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍。皮秒乃至飛秒量級的脈沖持續(xù)時間，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間，使能量來不及釋放，脈沖就已經(jīng)結(jié)束，避免了熱量轉(zhuǎn)換及熱擴(kuò)散。這種特性在加工過程中可大大減少被加工區(qū)域?qū)χ車牧系挠绊?，實現(xiàn)了真正意義上的激光“冷”加工。此外，超快激光微加工可以實現(xiàn)切面整齊，無熱擴(kuò)散、無微裂紋、無熔融區(qū)域，并且可以做到在微納米尺度上對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾、設(shè)計。

《中國科技財富》：目前，超快激光可應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？應(yīng)用效果如何？

張珂：超強(qiáng)超快激光不僅具有重大的前沿學(xué)科意義，還可推動激光科學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一大批基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。超快激光因為具有非常高的功率，可以加工幾乎任何類型的材料，包括傳統(tǒng)的、很難加工金屬、陶瓷和玻璃等材料。超快激光光強(qiáng)大于多光子吸收閥值，可激發(fā)透明材料對光子能量的吸收，使材料迅速升溫然后驟然降溫，可導(dǎo)致光學(xué)透明材料折射率的變化，因此在對石英、玻璃、晶體、光纖等各種透明材料進(jìn)行加工時，可改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)，進(jìn)行新材料的三維加工及薄膜制備。另外，由于脈寬極小，超快激光在加工時幾乎不產(chǎn)生多余的熱量，這種無熱加工可使加工效果和質(zhì)量極佳。超快激光在工業(yè)應(yīng)用上非常廣泛，在微電子工業(yè)的高質(zhì)量微機(jī)械加工應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備制造，以及半導(dǎo)體、電子產(chǎn)品顯示屏或光伏產(chǎn)業(yè)用的薄膜加工等領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。

醫(yī)療設(shè)備是具有高附加值的產(chǎn)品，在質(zhì)量方面要求嚴(yán)格，通常要求采用挑戰(zhàn)性的工業(yè)制造工藝?；谶@些原因，超快激光器在醫(yī)療設(shè)備制造領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。支架是采用激光束切割其框架的小型管道，可以防止手術(shù)之后動脈收縮，采用超快激光加工工藝制造這些支架，可以避免在切割過程中產(chǎn)生熱量，以保證支架的品質(zhì)效果。作為超精密外科手術(shù)刀，超快激光可用于視力矯正手術(shù)，也可用于無痛牙科治療，可以避免了因溫度變化引起的神經(jīng)痛感。

《中國科技財富》：您一直是激光技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)秀研發(fā)人員，請問近年來，您在超快激光技術(shù)領(lǐng)域取得了哪些成績與進(jìn)展呢？

張珂：近年來，我?guī)ьI(lǐng)公司技術(shù)團(tuán)隊一直致力于超快激光技術(shù)的研究工作，特別是在高穩(wěn)定性超快光纖激光器和中紅外可調(diào)諧光纖激光器這兩個高技術(shù)方向進(jìn)行了大量研究與探索。目前，我們已經(jīng)研發(fā)出超快光纖激光器、超短脈沖激光產(chǎn)生裝置、超短脈沖光纖激光種子源、含有循環(huán)光纖環(huán)路的光纖激光器、2微米光纖激光器等多種先進(jìn)的設(shè)備及技術(shù)。目前，我們已經(jīng)向市場推出多款超快激光器產(chǎn)品，面向工業(yè)精密加工、科研領(lǐng)域里的光譜研究、通信及傳感類應(yīng)用，受到了激光系統(tǒng)集成商、科研機(jī)構(gòu)等客戶的歡迎與支持。