1月19日

《人民日?qǐng)?bào)》要聞版

《講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神》專欄

以《執(zhí)著探索，

用好那道超強(qiáng)超快的光》

為題，生動(dòng)講述了

中國(guó)科學(xué)院院士

北京理工大學(xué)姜瀾教授

開展飛秒激光制造研究的故事

姜瀾，1972年生，四川自貢人。北京理工大學(xué)首批講席教授，長(zhǎng)期從事飛秒激光制造研究，是我國(guó)激光制造領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)帶頭人之一。曾獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、何梁何利科技創(chuàng)新獎(jiǎng)等。2023年5月，被授予第三屆全國(guó)創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)。2023年11月當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。

1飛秒，就是一千萬(wàn)億分之一秒。把一個(gè)激光脈沖的能量壓縮到幾飛秒內(nèi)極速釋放，其峰值功率可提升數(shù)百萬(wàn)億倍，理論上可以加工任何固體材料。飛秒激光，這把無(wú)堅(jiān)不摧的“超強(qiáng)超快光刀”，有著廣闊的應(yīng)用前景。

專注飛秒激光制造研究20多年來(lái)，姜瀾團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大突破，他牽頭撰寫了激光制造等方向多個(gè)重要規(guī)劃，推動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域躋身國(guó)際第一梯隊(duì)。

時(shí)間這么短、能量這么高，飛秒激光將被人們?nèi)绾卫?？雖然在理論層面有諸多優(yōu)勢(shì)，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，飛秒激光制造應(yīng)用還停留在概念層面。

從概念到應(yīng)用，飛秒激光制造的難點(diǎn)在哪？姜瀾介紹，經(jīng)典理論難以預(yù)測(cè)飛秒激光加工的形狀，加工機(jī)理也難以描述，這便是團(tuán)隊(duì)20多年來(lái)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(jī)理?！?/strong>姜瀾說(shuō)。

姜瀾（右一）和團(tuán)隊(duì)成員在做實(shí)驗(yàn)

飛秒激光加工時(shí)，材料的局部瞬時(shí)特性會(huì)發(fā)生劇變，為探究這一變化，姜瀾及團(tuán)隊(duì)潛心研究，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，并成功預(yù)測(cè)了一系列重要反常效應(yīng)。起初，學(xué)界對(duì)此尚有疑問(wèn)，隨著姜瀾所提出模型的主要假設(shè)和預(yù)測(cè)在全球范圍內(nèi)被廣泛驗(yàn)證，研究成果才逐漸獲得了認(rèn)可。

驗(yàn)證了模型，還需有直觀的觀測(cè)結(jié)果來(lái)佐證，即將飛秒激光制造的過(guò)程“拍”下來(lái)。由于傳統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)視角單一，且還是二維成像，無(wú)法捕獲飛秒激光加工過(guò)程所涉及的多維信息。姜瀾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了跨尺度準(zhǔn)三維超快連續(xù)攝像系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了在飛秒激光與材料相互作用過(guò)程中，跨越15個(gè)時(shí)間尺度的全景觀測(cè)。

憑借一系列原創(chuàng)成果，姜瀾成為飛秒激光制造領(lǐng)域研究的引領(lǐng)者。其實(shí)，在做博士后期間，姜瀾就著手開展飛秒激光制造研究。那時(shí)，沒(méi)有飛秒激光設(shè)備、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室，僅靠著一臺(tái)計(jì)算機(jī)，姜瀾便開始了艱難的探索。

飛秒激光制造涉及機(jī)械、物理、光學(xué)、材料、化學(xué)等多學(xué)科，對(duì)于不熟悉的領(lǐng)域，姜瀾通過(guò)自學(xué)或請(qǐng)教相關(guān)專家，最終在除機(jī)械領(lǐng)域之外的多個(gè)學(xué)科取得突破，也為接下來(lái)的研究打下了基礎(chǔ)。

飛秒激光的特性導(dǎo)致加工效率低、深徑比低、加工精度差于衍射極限等。技術(shù)落地應(yīng)用還需翻越另一道坎，即找到調(diào)控飛秒激光制造過(guò)程的方法。

姜瀾根據(jù)他的模型預(yù)測(cè)，開創(chuàng)性地提出了電子動(dòng)態(tài)調(diào)控制造新原理、新方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工結(jié)果的控制。

姜瀾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)邊摸索邊驗(yàn)證，最終基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)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(fù)加工精度達(dá)波長(zhǎng)的1/14等。

“再先進(jìn)的加工技術(shù)，如果只停留在紙面上，也無(wú)法取得好的應(yīng)用發(fā)展。”姜瀾說(shuō)。

基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控新原理、新方法，姜瀾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)接連突破難加工材料三維復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)制造的一系列瓶頸，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)，研制了系列新裝備，率先實(shí)現(xiàn)了飛秒激光制造的重大工程應(yīng)用及規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

“大家所熟知的手機(jī)全面屏異形切割等技術(shù)，也是我們重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)之一?！苯獮懡榻B，應(yīng)用電子動(dòng)態(tài)調(diào)控制造新原理、新技術(shù)，團(tuán)隊(duì)與企業(yè)共同研發(fā)了飛秒激光電子動(dòng)態(tài)調(diào)控切割/制孔新裝備，性能總體處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用，雖然技術(shù)路徑清晰，但仍需考慮成本、實(shí)用性等約束條件。為此，姜瀾團(tuán)隊(duì)與合作企業(yè)一起，反復(fù)驗(yàn)證工藝、調(diào)整參數(shù)?！敖?jīng)常泡在實(shí)驗(yàn)室里，有時(shí)為了完善某個(gè)性能，前后要忙活一整年?！苯獮憟F(tuán)隊(duì)成員、北京理工大學(xué)教授胡潔回憶。

攻克復(fù)合材料高質(zhì)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(tuán)隊(duì)以高質(zhì)量原創(chuàng)性工作，正不斷開拓激光制造的應(yīng)用場(chǎng)景。“科研，就要做真正有價(jià)值的工作、做‘頂天立地’的科研，不摘青果子?！?/strong>姜瀾對(duì)團(tuán)隊(duì)師生的要求，已成為團(tuán)隊(duì)文化的一部分。

多年以前，激光制造只是機(jī)械工程領(lǐng)域的一個(gè)三級(jí)分支，沒(méi)有相關(guān)部門的系統(tǒng)化支持。研究人員少、科研經(jīng)費(fèi)少、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，與世界先進(jìn)水平相比差距明顯。

姜瀾意識(shí)到，迎頭追趕，光靠一兩個(gè)團(tuán)隊(duì)不行，“做大做強(qiáng)學(xué)科，必須把科研界和產(chǎn)業(yè)界團(tuán)結(jié)在一起，共同發(fā)力”。

2008年，國(guó)家自然科學(xué)基金委將高能束與特種能場(chǎng)制造領(lǐng)域列為優(yōu)先支持方向，激光制造是其中的重要方面，并由姜瀾擔(dān)任該領(lǐng)域負(fù)責(zé)人。在前輩學(xué)者的指導(dǎo)下，姜瀾在12年內(nèi)先后牽頭撰寫了基金委高能束與特種能場(chǎng)領(lǐng)域規(guī)劃兩部，在激光制造領(lǐng)域，取得了一定理論成果。

姜瀾開展飛秒激光多尺度觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

姜瀾帶領(lǐng)專家組投入大量時(shí)間和精力，梳理產(chǎn)業(yè)鏈短板、編制行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，從而推進(jìn)激光制造領(lǐng)域國(guó)家或部委科技計(jì)劃。他牽頭撰寫了激光制造等方向國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃和科技部、基金委等5年部級(jí)科技規(guī)劃12項(xiàng)。

其中，“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——“增材制造與激光制造”，光立項(xiàng)論證就歷時(shí)兩年半。“那時(shí)候，我和專家組成員經(jīng)常工作、討論到凌晨?！苯獮懟貞洝?/p>

30余次專題論證會(huì)，調(diào)研走訪70多家企業(yè)，撰寫上百萬(wàn)字的論證材料……姜瀾和專家組全力以赴。之后，該專項(xiàng)獲得“十四五”的滾動(dòng)支持，成為制造領(lǐng)域唯一一個(gè)“建長(zhǎng)板”的國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)。

上百家科研機(jī)構(gòu)、上千家企業(yè)從事激光制造相關(guān)研究，大家專長(zhǎng)、興趣各不相同，如何把大家凝聚在一起？“姜瀾始終站在國(guó)家、行業(yè)發(fā)展立場(chǎng)編制規(guī)劃，獲得了大家的認(rèn)可?！币晃恍袠I(yè)專家表示。

“大科學(xué)時(shí)代，技術(shù)的發(fā)展不能靠單打獨(dú)斗?！?/strong>姜瀾說(shuō)，激光制造領(lǐng)域還有許多待解的難題，團(tuán)隊(duì)將立足“四個(gè)面向”，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研的攻堅(jiān)力量，努力為制造強(qiáng)國(guó)、教育強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

姜瀾在飛秒激光制造領(lǐng)域取得了很大的成績(jī)，而他更大的貢獻(xiàn)是作為我國(guó)激光制造領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)帶頭人之一，推動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域躋身國(guó)際第一梯隊(duì)。

激光制造領(lǐng)域有上百家科研機(jī)構(gòu)、上千家相關(guān)企業(yè)，各方對(duì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展訴求難免有差異，如何將它們擰成一股繩？答案是把國(guó)家需要放在首位。也正因如此，姜瀾主持編制的規(guī)劃獲得普遍認(rèn)可，從而促進(jìn)了學(xué)科和行業(yè)的良性互動(dòng)。

錨定關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)高水平科技自立自強(qiáng)，需要有效統(tǒng)籌和科學(xué)布局創(chuàng)新資源，讓高校院所、相關(guān)企業(yè)等各展所長(zhǎng)，協(xié)力打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。我國(guó)激光制造技術(shù)發(fā)展的歷程啟示我們：科研規(guī)劃和項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須圍繞國(guó)家需求，優(yōu)化配置好創(chuàng)新資源，凝聚起高校院所、企業(yè)創(chuàng)新的合力，才能不斷取得新的進(jìn)展。