同等功率下，激光脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，瞬時(shí)功率就越大。當(dāng)激光脈沖持續(xù)時(shí)間短至千萬(wàn)億分之一秒級(jí)，瞬時(shí)峰值功率可超過(guò)百萬(wàn)億瓦，超過(guò)全世界所有發(fā)電廠(chǎng)裝機(jī)功率總和的上百倍。這就是飛秒激光。
通過(guò)調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖在時(shí)域、空域和頻域的性質(zhì)，飛秒激光就會(huì)變成一把形狀、性質(zhì)可調(diào)，無(wú)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(chē)輛學(xué)院，姜瀾及其團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先預(yù)測(cè)了飛秒激光加工形狀，率先提出了飛秒激光電子動(dòng)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(dòng)調(diào)控，率先研制了首套跨尺度準(zhǔn)三維超快連續(xù)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，率先實(shí)現(xiàn)了激光制造中電子層面的觀(guān)測(cè)，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)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
不懼挑戰(zhàn)，攻關(guān)科技難題
自1960年人類(lèi)第一臺(tái)紅寶石激光器誕生以來(lái)，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(shí)間短至千萬(wàn)億分之一秒級(jí)、強(qiáng)度超過(guò)百萬(wàn)億瓦級(jí)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(chǎng)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(shí)，姜瀾對(duì)物理產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣，“‘相對(duì)論’‘量子力學(xué)’都是那時(shí)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”。
沒(méi)有團(tuán)隊(duì)、沒(méi)有項(xiàng)目、所關(guān)注的只是三級(jí)學(xué)科領(lǐng)域的一個(gè)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。“那是一段無(wú)人打擾的獨(dú)自潛心研究的美好時(shí)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(cè)精度。他建立了等離子體量子模型，首次預(yù)測(cè)了飛秒激光加工形狀，成功預(yù)測(cè)了系列重要反常效應(yīng)，獲得了包括諾獎(jiǎng)得主在內(nèi)的廣泛國(guó)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和正面評(píng)價(jià)。
2006年，姜瀾在北理工組建了國(guó)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(shí)，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(shí)電子動(dòng)態(tài)”。根據(jù)他的理論模型預(yù)測(cè)，姜瀾提出可通過(guò)飛秒激光時(shí)空整形實(shí)現(xiàn)激光制造中局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)的主動(dòng)調(diào)控，進(jìn)而控制加工結(jié)果的技術(shù)路線(xiàn)。這一技術(shù)路線(xiàn)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(zhǎng)的1/14，深徑比極限從20∶1提高到超過(guò)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(guān)測(cè)系統(tǒng)。“跨越15個(gè)時(shí)間數(shù)量級(jí)，峰值幀速率達(dá)數(shù)萬(wàn)億幀/秒的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證了飛秒激光電子動(dòng)態(tài)調(diào)控制造新原理。”姜瀾說(shuō)。
在國(guó)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(dòng)態(tài)調(diào)控制造成果入選。11位院士組成的鑒定委員會(huì)這樣評(píng)價(jià)：“率先實(shí)現(xiàn)了激光制造中電子層面的主動(dòng)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(guó)際領(lǐng)先水平。”
服務(wù)國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)
一個(gè)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(tái)上的數(shù)百個(gè)光學(xué)鏡片與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來(lái)。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。”姜瀾說(shuō)，“傳統(tǒng)刀具束手無(wú)策之地，正是飛秒激光大顯身手之處。”目前，應(yīng)用姜瀾提出的電子動(dòng)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(chǎng)的占有率達(dá)到60%。
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(jí)難題。姜瀾發(fā)明了電子動(dòng)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(guó)際水平的新裝備，為37個(gè)國(guó)家重大科技工程和國(guó)家重大裝備奠定了基石。
姜瀾說(shuō)：“強(qiáng)大的制造業(yè)是強(qiáng)國(guó)建設(shè)的基石，而且制造業(yè)的強(qiáng)大往往領(lǐng)先強(qiáng)國(guó)地位確立20年。”
“十二五”期間，高能束制造成為了國(guó)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(chǎng)制造領(lǐng)域負(fù)責(zé)人，并牽頭撰寫(xiě)了“十二五”以來(lái)基金委高能束與特種能場(chǎng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案編制專(zhuān)家組、指南編制專(zhuān)家組和總體專(zhuān)家組組長(zhǎng)。他投入大量時(shí)間致力于國(guó)家在先進(jìn)制造領(lǐng)域首個(gè)啟動(dòng)的重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)。目前，專(zhuān)項(xiàng)已部署相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目112個(gè)，有力推動(dòng)了我國(guó)增材制造與激光制造躋身國(guó)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(guó)加州大學(xué)伯克利聽(tīng)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(shuō)，“講座后，我們交流時(shí)，他問(wèn)我‘愿不愿一起做點(diǎn)真正的科研’，這一句話(huà)把我召回來(lái)了。”
姜瀾技術(shù)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生都知道，姜老師反對(duì)發(fā)“水文章”。博士生連易靈解釋說(shuō)：“別人做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，拿回來(lái)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’。”
真正的科研是什么？姜瀾說(shuō)：“要么在學(xué)術(shù)前沿取得突破去頂天，拓展人類(lèi)的認(rèn)知領(lǐng)域；要么在國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用去立地，攻克關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。”
嚴(yán)格的要求帶出了一支過(guò)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(guó)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(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)“上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文獎(jiǎng)”6次，包括銀獎(jiǎng)、銅獎(jiǎng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)、佳作獎(jiǎng)，“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)競(jìng)賽特等獎(jiǎng)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(guó)家級(jí)高層次人才。
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(lái)，飛秒激光無(wú)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。“瞄準(zhǔn)科技前沿，服務(wù)國(guó)家需求，這是我們這代科研工作者的時(shí)代使命，也是我們工作不斷取得突破的秘密。”姜瀾說(shuō)。
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