【人物】执着探索 用好那道超强超快的光

中科院院士、北京理工大学教授姜澜

执着探索 用好那道超强超快的光

喻思南

人物小传

姜澜,1972年生,四川自贡人。北京理工大学首批讲席教授,长期从事飞秒激光制造研究,是我国激光制造领域的主要学术带头人之一。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利科技创新奖等。2023年5月,被授予第三届全国创新争先奖。2023年11月当选中国科学院院士。

1飞秒,就是一千万亿分之一秒。把一个激光脉冲的能量压缩到几飞秒内极速释放,其峰值功率可提升数百万亿倍,理论上可以加工任何固体材料。飞秒激光,这把无坚不摧的“超强超快光刀”,有着广阔的应用前景。

专注飞秒激光制造研究20多年来,姜澜团队实现了多项重大突破,他牵头撰写了激光制造等方向多个重要规划,推动我国在该领域跻身国际第一梯队。

建立等离子体量子模型,首次预测飞秒激光加工形状

时间这么短、能量这么高,飞秒激光将被人们如何利用?虽然在理论层面有诸多优势,但在很长一段时间里,飞秒激光制造应用还停留在概念层面。

从概念到应用,飞秒激光制造的难点在哪?姜澜介绍,经典理论难以预测飞秒激光加工的形状,加工机理也难以描述,这便是团队20多年来潜心研究所面临的困境。

“必须打开飞秒激光与材料相互作用的‘黑盒子’,才能彻底理解飞秒激光加工机理。”姜澜说。

飞秒激光加工时,材料的局部瞬时特性会发生剧变,为探究这一变化,姜澜及团队潜心研究,建立了等离子体量子模型,首次预测了飞秒激光加工形状,并成功预测了一系列重要反常效应。起初,学界对此尚有疑问,随着姜澜所提出模型的主要假设和预测在全球范围内被广泛验证,研究成果才逐渐获得了认可。

验证了模型,还需有直观的观测结果来佐证,即将飞秒激光制造的过程“拍”下来。由于传统观测技术视角单一,且还是二维成像,无法捕获飞秒激光加工过程所涉及的多维信息。姜澜带领团队研制了跨尺度准三维超快连续摄像系统,首次实现了在飞秒激光与材料相互作用过程中,跨越15个时间尺度的全景观测。

凭借一系列原创成果,姜澜成为飞秒激光制造领域研究的引领者。其实,在做博士后期间,姜澜就着手开展飞秒激光制造研究。那时,没有飞秒激光设备、项目经费和实验室,仅靠着一台计算机,姜澜便开始了艰难的探索。

飞秒激光制造涉及机械、物理、光学、材料、化学等多学科,对于不熟悉的领域,姜澜通过自学或请教相关专家,最终在除机械领域之外的多个学科取得突破,也为接下来的研究打下了基础。

以高质量原创性研究,不断拓展激光制造应用场景

飞秒激光的特性导致加工效率低、深径比低、加工精度差于衍射极限等。技术落地应用还需翻越另一道坎,即找到调控飞秒激光制造过程的方法。

姜澜根据他的模型预测,开创性地提出了电子动态调控制造新原理、新方法,从而实现对加工结果的控制。

姜澜带领团队边摸索边验证,最终基于电子动态调控新原理,将加工效率提高了56倍、深径比提高了260倍,使可重复加工精度达波长的1/14等。

“再先进的加工技术,如果只停留在纸面上,也无法取得好的应用发展。”姜澜说。

基于电子动态调控新原理、新方法,姜澜带领团队接连突破难加工材料三维复杂微细结构制造的一系列瓶颈,发明了电子动态调控制孔、切割、调平、刻型等新技术,研制了系列新装备,率先实现了飞秒激光制造的重大工程应用及规模化产业应用。

“大家所熟知的手机全面屏异形切割等技术,也是我们重点攻关的技术之一。”姜澜介绍,应用电子动态调控制造新原理、新技术,团队与企业共同研发了飞秒激光电子动态调控切割/制孔新装备,性能总体处于国际领先水平。

实验室技术转向工业应用,虽然技术路径清晰,但仍需考虑成本、实用性等约束条件。为此,姜澜团队与合作企业一起,反复验证工艺、调整参数。“经常泡在实验室里,有时为了完善某个性能,前后要忙活一整年。”姜澜团队成员、北京理工大学教授胡洁回忆。

攻克复合材料高质量加工、制备新材料新器件、研制高精尖制造装备……如今,姜澜团队以高质量原创性工作,正不断开拓激光制造的应用场景。“科研,就要做真正有价值的工作、做‘顶天立地’的科研,不摘青果子。”姜澜对团队师生的要求,已成为团队文化的一部分。

姜澜(右一)和团队成员在做实验(北京理工大学 供图)

联合产学研攻坚力量,推动相关产业发展

多年以前,激光制造只是机械工程领域的一个三级分支,没有相关部门的系统化支持。研究人员少、科研经费少、产业规模小,与世界先进水平相比差距明显。

姜澜意识到,迎头追赶,光靠一两个团队不行,“做大做强学科,必须把科研界和产业界团结在一起,共同发力”。

2008年,国家自然科学基金委将高能束与特种能场制造领域列为优先支持方向,激光制造是其中的重要方面,并由姜澜担任该领域负责人。在前辈学者的指导下,姜澜在12年内先后牵头撰写了基金委高能束与特种能场领域规划两部,在激光制造领域,取得了一定理论成果。

姜澜开展飞秒激光多尺度观测实验

姜澜带领专家组投入大量时间和精力,梳理产业链短板、编制行业发展规划,从而推进激光制造领域国家或部委科技计划。他牵头撰写了激光制造等方向国家中长期科技发展规划和科技部、基金委等5年部级科技规划12项。

其中,“十三五”国家重点研发计划——“增材制造与激光制造”,光立项论证就历时两年半。“那时候,我和专家组成员经常工作、讨论到凌晨。”姜澜回忆。

30余次专题论证会,调研走访70多家企业,撰写上百万字的论证材料……姜澜和专家组全力以赴。之后,该专项获得“十四五”的滚动支持,成为制造领域唯一一个“建长板”的国家重点专项。

上百家科研机构、上千家企业从事激光制造相关研究,大家专长、兴趣各不相同,如何把大家凝聚在一起?“姜澜始终站在国家、行业发展立场编制规划,获得了大家的认可。”一位行业专家表示。

“大科学时代,技术的发展不能靠单打独斗。”姜澜说,激光制造领域还有许多待解的难题,团队将立足“四个面向”,联合产学研的攻坚力量,努力为制造强国、教育强国、科技强国作出应有的贡献。

记者手记

凝聚科研攻关的合力

姜澜在飞秒激光制造领域取得了很大的成绩,而他更大的贡献是作为我国激光制造领域的主要学术带头人之一,推动我国在该领域跻身国际第一梯队。

激光制造领域有上百家科研机构、上千家相关企业,各方对技术和产业发展诉求难免有差异,如何将它们拧成一股绳?答案是把国家需要放在首位。也正因如此,姜澜主持编制的规划获得普遍认可,从而促进了学科和行业的良性互动。

锚定关键核心技术攻关,推动高水平科技自立自强,需要有效统筹和科学布局创新资源,让高校院所、相关企业等各展所长,协力打好关键核心技术攻坚战。我国激光制造技术发展的历程启示我们:科研规划和项目设计必须围绕国家需求,优化配置好创新资源,凝聚起高校院所、企业创新的合力,才能不断取得新的进展。

来源:《人民日报》2024年1月19日第6版

作者:人民日报记者 喻思南

图源:自贡市地方志办公室