瞄準(zhǔn)科技前沿 服務(wù)國家需求
——北京理工大學(xué)姜瀾團(tuán)隊(duì)和飛秒激光制造研究
發(fā)布日期：2023-09-19 供稿：《中國教育報(bào)》 攝影：黨委宣傳部 郭廣澤
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：
同等功率下,，激光脈沖的持續(xù)時間越短,，瞬時功率就越大。當(dāng)激光脈沖持續(xù)時間短至千萬億分之一秒級,，瞬時峰值功率可超過百萬億瓦,，超過全世界所有發(fā)電廠裝機(jī)功率總和的上百倍,。這就是飛秒激光。
通過調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖在時域,、空域和頻域的性質(zhì),，飛秒激光就會變成一把形狀,、性質(zhì)可調(diào)，無堅(jiān)不摧的柔性刀具,，在微米,、納米尺度下完成高精度切割、打孔,、調(diào)平等,，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)電子層面的調(diào)控……20多年前，姜瀾看到了飛秒激光應(yīng)用的巨大潛能,。
如今,，在北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，姜瀾及其團(tuán)隊(duì)在國際上率先預(yù)測了飛秒激光加工形狀,，率先提出了飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控制造新原理,，率先實(shí)現(xiàn)了激光制造中電子層面主動調(diào)控，率先研制了首套跨尺度準(zhǔn)三維超快連續(xù)觀測系統(tǒng),，率先實(shí)現(xiàn)了激光制造中電子層面的觀測,，率先實(shí)現(xiàn)了飛秒激光制造的重大工程應(yīng)用，率先實(shí)現(xiàn)了飛秒激光制造的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用,。
不懼挑戰(zhàn)，攻關(guān)科技難題
自1960年人類第一臺紅寶石激光器誕生以來,，科學(xué)家們不斷將激光的性能推向更快,、更強(qiáng)。上世紀(jì)80年代,，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光脈沖持續(xù)時間短至千萬億分之一秒級,、強(qiáng)度超過百萬億瓦級的超快、超強(qiáng)區(qū)間后,，經(jīng)典的理論模型已經(jīng)不能夠解釋這一超快超強(qiáng)電磁場與物質(zhì)的相互作用機(jī)理,，這成為制約飛秒激光發(fā)展的瓶頸。本世紀(jì)初,，姜瀾進(jìn)入了飛秒激光制造研究領(lǐng)域,。
上本科時，姜瀾對物理產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣,，“‘相對論’‘量子力學(xué)’都是那時我潛心鉆研的方向,，以激光為代表的高能束制造本質(zhì)上是能量與物質(zhì)的相互作用，是我非常感興趣的方向”,。
姜瀾教授指導(dǎo)學(xué)生開展飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控加工實(shí)驗(yàn)
沒有團(tuán)隊(duì),、沒有項(xiàng)目、所關(guān)注的只是三級學(xué)科領(lǐng)域的一個研究分支，回憶起20多年前孤身入局的情境,，姜瀾的嘴角泛起一絲幸福,、回味的微笑?！澳鞘且欢螣o人打擾的獨(dú)自潛心研究的美好時光,。”
6年后,，姜瀾在飛秒激光制造理論研究中取得了突破性進(jìn)展,。他提出了改進(jìn)雙溫度模型，將經(jīng)典雙溫度方程的適用范圍從電子低溫區(qū)擴(kuò)展到了任意電子溫度范圍,，提高了飛秒激光加工閾值預(yù)測精度,。他建立了等離子體量子模型，首次預(yù)測了飛秒激光加工形狀,，成功預(yù)測了系列重要反常效應(yīng)，獲得了包括諾獎得主在內(nèi)的廣泛國際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和正面評價,。
2006年,，姜瀾在北理工組建了國內(nèi)第一支飛秒激光制造及其應(yīng)用科研團(tuán)隊(duì)。
當(dāng)時,，擋在團(tuán)隊(duì)面前的是又一道障礙,。飛秒激光加工效率低，精度差于衍射極限,，深徑比低,，這些飛秒激光加工的“固有缺陷”，正是導(dǎo)致飛秒激光加工20余年未能走向?qū)嶋H應(yīng)用的原因,。
姜瀾應(yīng)用他所建立的模型揭示,，要解決上述難題，核心是“能否調(diào)控局部瞬時電子動態(tài)”,。根據(jù)他的理論模型預(yù)測,，姜瀾提出可通過飛秒激光時空整形實(shí)現(xiàn)激光制造中局部瞬時電子動態(tài)的主動調(diào)控，進(jìn)而控制加工結(jié)果的技術(shù)路線,。這一技術(shù)路線大幅拓展了激光制造的極限能力,。在這一理論模型的支撐下，姜瀾團(tuán)隊(duì)將飛秒激光加工效率提高了56倍,，可重復(fù)加工精度達(dá)波長的1/14,，深徑比極限從20∶1提高到超過5000∶1。
其后,，姜瀾提出并帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)研制了跨尺度準(zhǔn)三維超快連續(xù)觀測系統(tǒng),。“跨越15個時間數(shù)量級，峰值幀速率達(dá)數(shù)萬億幀/秒的觀測系統(tǒng)驗(yàn)證了飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控制造新原理,?！苯獮懻f。
在國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展中,，姜瀾團(tuán)隊(duì)的飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控制造成果入選,。11位院士組成的鑒定委員會這樣評價：“率先實(shí)現(xiàn)了激光制造中電子層面的主動調(diào)控和飛秒激光加工的產(chǎn)業(yè)化與重大工程應(yīng)用……總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平?！?/p>
服務(wù)國家重大需求和國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場
一個外行走進(jìn)飛秒激光微納制造研究室,，很難將眼前的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及排布在工作臺上的數(shù)百個光學(xué)鏡片與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來。而突破了基礎(chǔ)科研的研究人員卻已看到了極其廣闊的應(yīng)用前景,。
手機(jī)屏幕異形切割是手機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù),。“一塊手機(jī)屏幕的結(jié)構(gòu)就像一塊多層蛋糕,，在不同層分別分布著玻璃,、聚合物、金屬,、絕緣體,，還有膠水?！苯獮懻f,，“傳統(tǒng)刀具束手無策之地，正是飛秒激光大顯身手之處,?！蹦壳埃瑧?yīng)用姜瀾提出的電子動態(tài)調(diào)控切割新工藝,，與大族激光合作研發(fā)的飛秒激光制造裝備在全球市場的占有率達(dá)到60%,。
姜瀾教授指導(dǎo)學(xué)生開展飛秒激光多尺度觀測實(shí)驗(yàn)
難加工材料的三維復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)加工是尖端制造領(lǐng)域的世界級難題。姜瀾發(fā)明了電子動態(tài)調(diào)控制孔,、切割,、調(diào)平、刻型等新技術(shù),，帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)研制了一系列主要指標(biāo)顯著優(yōu)于國際水平的新裝備,，為37個國家重大科技工程和國家重大裝備奠定了基石。
姜瀾說：“強(qiáng)大的制造業(yè)是強(qiáng)國建設(shè)的基石,，而且制造業(yè)的強(qiáng)大往往領(lǐng)先強(qiáng)國地位確立20年,。”
“十二五”期間,，高能束制造成為了國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)支持方向,，姜瀾擔(dān)任高能束與特種能場制造領(lǐng)域負(fù)責(zé)人，并牽頭撰寫了“十二五”以來基金委高能束與特種能場領(lǐng)域的系列規(guī)劃。
“十三五”和“十四五”期間,，姜瀾擔(dān)任了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案編制專家組,、指南編制專家組和總體專家組組長。他投入大量時間致力于國家在先進(jìn)制造領(lǐng)域首個啟動的重點(diǎn)專項(xiàng),。目前,，專項(xiàng)已部署相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目112個，有力推動了我國增材制造與激光制造躋身國際第一梯隊(duì),。
瞄準(zhǔn)科技前沿不斷突破
已經(jīng)在研究所入職兩年的張學(xué)強(qiáng)現(xiàn)在還記得在美國加州大學(xué)伯克利聽姜瀾講座的情景,。“他講了飛秒激光制造的技術(shù)進(jìn)展,，也講了飛秒激光制造潛在的應(yīng)用前景,。”張學(xué)強(qiáng)說,，“講座后,，我們交流時，他問我‘愿不愿一起做點(diǎn)真正的科研’,，這一句話把我召回來了,。”
姜瀾技術(shù)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生都知道,，姜老師反對發(fā)“水文章”。博士生連易靈解釋說：“別人做過的實(shí)驗(yàn),，拿回來復(fù)現(xiàn),，再調(diào)整一下參數(shù)；或者別人的實(shí)驗(yàn),，換一種材料再做一遍,，都是‘水文章’?！?/p>
姜瀾教授為研究生授課
真正的科研是什么,？姜瀾說：“要么在學(xué)術(shù)前沿取得突破去頂天，拓展人類的認(rèn)知領(lǐng)域,；要么在國家重大需求和國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場實(shí)現(xiàn)應(yīng)用去立地,，攻克關(guān)鍵技術(shù)問題?！?/p>
嚴(yán)格的要求帶出了一支過硬的科研梯隊(duì),。姜瀾培養(yǎng)了博士和博士后33名，40%任教于“雙一流”高校,、57%就職于國家重點(diǎn)行業(yè)相關(guān)研究機(jī)構(gòu),。他所指導(dǎo)的博士生曾獲中國機(jī)械工程學(xué)會“上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文獎”6次，包括銀獎、銅獎,、優(yōu)秀獎,、佳作獎，“挑戰(zhàn)杯”全國競賽特等獎等,，2人獲批歐盟“瑪麗·居里”學(xué)者,。至今，姜瀾已培養(yǎng)了9名國家級高層次人才,。
姜瀾教授為研究生授課
在北理工飛秒激光微納制造研究所里,，飛秒激光的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷取得突破。李曉煒教授正在致力于飛秒激光制造的系列重大應(yīng)用,。胡潔教授正在聚焦醫(yī)工融合,，飛秒激光技術(shù)可以為骨腫瘤治療提供抗菌、抗凝血,、可載藥的醫(yī)療器具,。李欣教授正在關(guān)注復(fù)合材料加工在航空航天中的應(yīng)用。
在姜瀾看來,，飛秒激光無堅(jiān)不摧的特性,，也應(yīng)該是一支有志于真正科研的團(tuán)隊(duì)所具有的特性?！懊闇?zhǔn)科技前沿,，服務(wù)國家需求，這是我們這代科研工作者的時代使命,，也是我們工作不斷取得突破的秘密,。”姜瀾說,。
