1月19日
《人民日報》要聞版
《講述·弘揚科學家精神》專欄
以《執著探索，
用好那道超強超快的光》
為題，生動講述了
中國科學院院士
北京理工大學姜瀾教授
開展飛秒激光制造研究的故事
執著探索 用好那道超強超快的光 人物小傳 姜瀾，1972年生，四川自貢人。北京理工大學首批講席教授，長期從事飛秒激光制造研究，是我國激光制造領域的主要學術帶頭人之一。曾獲得國家自然科學獎二等獎、何梁何利科技創新獎等。2023年5月，被授予第三屆全國創新爭先獎。2023年11月當選中國科學院院士。 1飛秒，就是一千萬億分之一秒。把一個激光脈沖的能量壓縮到幾飛秒內極速釋放，其峰值功率可提升數百萬億倍，理論上可以加工任何固體材料。飛秒激光，這把無堅不摧的“超強超快光刀”，有著廣闊的應用前景。 專注飛秒激光制造研究20多年來，姜瀾團隊實現了多項重大突破，他牽頭撰寫了激光制造等方向多個重要規劃，推動我國在該領域躋身國際第一梯隊。 建立等離子體量子模型 首次預測飛秒激光加工形狀 時間這么短、能量這么高，飛秒激光將被人們如何利用？雖然在理論層面有諸多優勢，但在很長一段時間里，飛秒激光制造應用還停留在概念層面。 從概念到應用，飛秒激光制造的難點在哪？姜瀾介紹，經典理論難以預測飛秒激光加工的形狀，加工機理也難以描述，這便是團隊20多年來潛心研究所面臨的困境。 “必須打開飛秒激光與材料相互作用的‘黑盒子’，才能徹底理解飛秒激光加工機理。”姜瀾說。 姜瀾（右一）和團隊成員在做實驗 飛秒激光加工時，材料的局部瞬時特性會發生劇變，為探究這一變化，姜瀾及團隊潛心研究，建立了等離子體量子模型，首次預測了飛秒激光加工形狀，并成功預測了一系列重要反常效應。起初，學界對此尚有疑問，隨著姜瀾所提出模型的主要假設和預測在全球范圍內被廣泛驗證，研究成果才逐漸獲得了認可。 驗證了模型，還需有直觀的觀測結果來佐證，即將飛秒激光制造的過程“拍”下來。由于傳統觀測技術視角單一，且還是二維成像，無法捕獲飛秒激光加工過程所涉及的多維信息。姜瀾帶領團隊研制了跨尺度準三維超快連續攝像系統，首次實現了在飛秒激光與材料相互作用過程中，跨越15個時間尺度的全景觀測。 憑借一系列原創成果，姜瀾成為飛秒激光制造領域研究的引領者。其實，在做博士后期間，姜瀾就著手開展飛秒激光制造研究。那時，沒有飛秒激光設備、項目經費和實驗室，僅靠著一臺計算機，姜瀾便開始了艱難的探索。 飛秒激光制造涉及機械、物理、光學、材料、化學等多學科，對于不熟悉的領域，姜瀾通過自學或請教相關專家，最終在除機械領域之外的多個學科取得突破，也為接下來的研究打下了基礎。 以高質量原創性研究 不斷拓展激光制造應用場景 飛秒激光的特性導致加工效率低、深徑比低、加工精度差于衍射極限等。技術落地應用還需翻越另一道坎，即找到調控飛秒激光制造過程的方法。 姜瀾根據他的模型預測，開創性地提出了電子動態調控制造新原理、新方法，從而實現對加工結果的控制。 姜瀾帶領團隊邊摸索邊驗證，最終基于電子動態調控新原理，將加工效率提高了56倍、深徑比提高了260倍，使可重復加工精度達波長的1/14等。 “再先進的加工技術，如果只停留在紙面上，也無法取得好的應用發展。”姜瀾說。 基于電子動態調控新原理、新方法，姜瀾帶領團隊接連突破難加工材料三維復雜微細結構制造的一系列瓶頸，發明了電子動態調控制孔、切割、調平、刻型等新技術，研制了系列新裝備，率先實現了飛秒激光制造的重大工程應用及規模化產業應用。 “大家所熟知的手機全面屏異形切割等技術，也是我們重點攻關的技術之一。”姜瀾介紹，應用電子動態調控制造新原理、新技術，團隊與企業共同研發了飛秒激光電子動態調控切割/制孔新裝備，性能總體處于國際領先水平。 實驗室技術轉向工業應用，雖然技術路徑清晰，但仍需考慮成本、實用性等約束條件。為此，姜瀾團隊與合作企業一起，反復驗證工藝、調整參數。“經常泡在實驗室里，有時為了完善某個性能，前后要忙活一整年。”姜瀾團隊成員、北京理工大學教授胡潔回憶。 攻克復合材料高質量加工、制備新材料新器件、研制高精尖制造裝備……如今，姜瀾團隊以高質量原創性工作，正不斷開拓激光制造的應用場景。“科研，就要做真正有價值的工作、做‘頂天立地’的科研，不摘青果子。”姜瀾對團隊師生的要求，已成為團隊文化的一部分。 聯合產學研攻堅力量 推動相關產業發展 多年以前，激光制造只是機械工程領域的一個三級分支，沒有相關部門的系統化支持。研究人員少、科研經費少、產業規模小，與世界先進水平相比差距明顯。 姜瀾意識到，迎頭追趕，光靠一兩個團隊不行，“做大做強學科，必須把科研界和產業界團結在一起，共同發力”。 2008年，國家自然科學基金委將高能束與特種能場制造領域列為優先支持方向，激光制造是其中的重要方面，并由姜瀾擔任該領域負責人。在前輩學者的指導下，姜瀾在12年內先后牽頭撰寫了基金委高能束與特種能場領域規劃兩部，在激光制造領域，取得了一定理論成果。 姜瀾開展飛秒激光多尺度觀測實驗 姜瀾帶領專家組投入大量時間和精力，梳理產業鏈短板、編制行業發展規劃，從而推進激光制造領域國家或部委科技計劃。他牽頭撰寫了激光制造等方向國家中長期科技發展規劃和科技部、基金委等5年部級科技規劃12項。 其中，“十三五”國家重點研發計劃——“增材制造與激光制造”，光立項論證就歷時兩年半。“那時候，我和專家組成員經常工作、討論到凌晨。”姜瀾回憶。 30余次專題論證會，調研走訪70多家企業，撰寫上百萬字的論證材料……姜瀾和專家組全力以赴。之后，該專項獲得“十四五”的滾動支持，成為制造領域唯一一個“建長板”的國家重點專項。 上百家科研機構、上千家企業從事激光制造相關研究，大家專長、興趣各不相同，如何把大家凝聚在一起？“姜瀾始終站在國家、行業發展立場編制規劃，獲得了大家的認可。”一位行業專家表示。 “大科學時代，技術的發展不能靠單打獨斗。”姜瀾說，激光制造領域還有許多待解的難題，團隊將立足“四個面向”，聯合產學研的攻堅力量，努力為制造強國、教育強國、科技強國作出應有的貢獻。 記者手記 姜瀾在飛秒激光制造領域取得了很大的成績，而他更大的貢獻是作為我國激光制造領域的主要學術帶頭人之一，推動我國在該領域躋身國際第一梯隊。 激光制造領域有上百家科研機構、上千家相關企業，各方對技術和產業發展訴求難免有差異，如何將它們擰成一股繩？答案是把國家需要放在首位。也正因如此，姜瀾主持編制的規劃獲得普遍認可，從而促進了學科和行業的良性互動。 錨定關鍵核心技術攻關，推動高水平科技自立自強，需要有效統籌和科學布局創新資源，讓高校院所、相關企業等各展所長，協力打好關鍵核心技術攻堅戰。我國激光制造技術發展的歷程啟示我們：科研規劃和項目設計必須圍繞國家需求，優化配置好創新資源，凝聚起高校院所、企業創新的合力，才能不斷取得新的進展。
來源：北京理工大學、人民日報
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