實現“冷”加工超快激光推動多領域技術進步

文/本刊記者 宋 莉

實現“冷”加工超快激光推動多領域技術進步

文/本刊記者 宋 莉

張 珂

隨著激光技術的不斷進步，超快激光由于其優異的性能越來越受到相關行業的青睞。武漢格雷森實業有限公司首席技術官張珂近年來在超快激光技術研發領域取得了矚目的成績，她研發出2微米可調諧激光器，在國際上首次將光纖激光器的可調范圍擴展到了2微米波段。近日，張珂向記者介紹了超快激光的先進之處，及其在生產生活領域中的應用情況。

《中國科技財富》：激光技術現在已經應用于生產、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用性呢？

張珂：激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發展，不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業的出現。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的發展。與其它光源相比，激光的優異特性決定了它的應用價值：激光具有優異的方向性，它以細光束從激光器輸出，空間傳播過程中，光束的發散度極小接近平行；激光具有高單色性，激光器發出的全部光輻射只集中在較窄的頻率范圍內，使激光輻射具有較高的單色性；激光具有高亮度性，能夠照亮遠距離的物體，大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，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，重疊區的光強分布會出現穩定的強弱相間現象，使閃光時間極短。這些特性使激光在生產、科研和軍事領域都具有重要的用途，已廣泛應用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、醫學診斷、醫療手術、氣體分子檢測、光譜學分析、硅光子學研究和等多個方面。

《中國科技財富》：隨著社會各行業的技術發展，激光的用途越來越廣，激光技術也在與時俱進。目前激光技術發展情況如何呢？

張珂：可以說激光技術與各行各業技術的進步是相輔相成的，目前，許多行業對激光技術的要求已經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、更加高質量的應用需求。而超快激光的出現則滿足了許多領域的更高需要，成為當前激光領域中比較先進的前沿技術，也成為眾多技術人員研究的熱門。超快激光具備獨特的超短脈沖、超強特性，能夠聚焦到微米尺度的空間區域，具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發電總功率還要多出百倍。它能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。皮秒乃至飛秒量級的脈沖持續時間，遠小于材料中受激電子通過轉移、轉化等形式的能量釋放時間，使能量來不及釋放，脈沖就已經結束，避免了熱量轉換及熱擴散。這種特性在加工過程中可大大減少被加工區域對周圍材料的影響，實現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切面整齊，無熱擴散、無微裂紋、無熔融區域，并且可以做到在微納米尺度上對材料結構進行修飾、設計。

《中國科技財富》：目前，超快激光可應用在哪些領域？應用效果如何？

張珂：超強超快激光不僅具有重大的前沿學科意義，還可推動激光科學與現代光學、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學科的發展。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，包括傳統的、很難加工金屬、陶瓷和玻璃等材料。超快激光光強大于多光子吸收閥值，可激發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，可導致光學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行加工時，可改變其內部結構性質，進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生多余的熱量，這種無熱加工可使加工效果和質量極佳。超快激光在工業應用上非常廣泛，在微電子工業的高質量微機械加工應用、醫療設備制造，以及半導體、電子產品顯示屏或光伏產業用的薄膜加工等領域都發揮著極其重要的作用。

醫療設備是具有高附加值的產品，在質量方面要求嚴格，通常要求采用挑戰性的工業制造工藝。基于這些原因，超快激光器在醫療設備制造領域獲得大量應用。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生熱量，以保證支架的品質效果。作為超精密外科手術刀，超快激光可用于視力矯正手術，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痛感。

《中國科技財富》：您一直是激光技術領域的優秀研發人員，請問近年來，您在超快激光技術領域取得了哪些成績與進展呢？

張珂：近年來，我帶領公司技術團隊一直致力于超快激光技術的研究工作，特別是在高穩定性超快光纖激光器和中紅外可調諧光纖激光器這兩個高技術方向進行了大量研究與探索。目前，我們已經研發出超快光纖激光器、超短脈沖激光產生裝置、超短脈沖光纖激光種子源、含有循環光纖環路的光纖激光器、2微米光纖激光器等多種先進的設備及技術。目前，我們已經向市場推出多款超快激光器產品，面向工業精密加工、科研領域里的光譜研究、通信及傳感類應用，受到了激光系統集成商、科研機構等客戶的歡迎與支持。