实现“冷”加工超快激光推动多领域技术进步

文/本刊记者 宋 莉

实现“冷”加工超快激光推动多领域技术进步

文/本刊记者 宋 莉

张 珂

随着激光技术的不断进步，超快激光由于其优异的性能越来越受到相关行业的青睐。武汉格雷森实业有限公司首席技术官张珂近年来在超快激光技术研发领域取得了瞩目的成绩，她研发出2微米可调谐激光器，在国际上首次将光纤激光器的可调范围扩展到了2微米波段。近日，张珂向记者介绍了超快激光的先进之处，及其在生产生活领域中的应用情况。

《中国科技财富》：激光技术现在已经应用于生产、生活、科研的方方面面，可以说是无处不在，是什么原因使激光具有如此广泛的应用性呢？

张珂：激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。与其它光源相比，激光的优异特性决定了它的应用价值：激光具有优异的方向性，它以细光束从激光器输出，空间传播过程中，光束的发散度极小接近平行；激光具有高单色性，激光器发出的全部光辐射只集中在较窄的频率范围内，使激光辐射具有较高的单色性；激光具有高亮度性，能够照亮远距离的物体，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高；激光具有高相干性，它的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象，使闪光时间极短。这些特性使激光在生产、科研和军事领域都具有重要的用途，已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、医学诊断、医疗手术、气体分子检测、光谱学分析、硅光子学研究和等多个方面。

《中国科技财富》：随着社会各行业的技术发展，激光的用途越来越广，激光技术也在与时俱进。目前激光技术发展情况如何呢？

张珂：可以说激光技术与各行各业技术的进步是相辅相成的，目前，许多行业对激光技术的要求已经从以前的纳秒量别提高到皮秒和飞秒量级，以便满足更加精细、更加高质量的应用需求。而超快激光的出现则满足了许多领域的更高需要，成为当前激光领域中比较先进的前沿技术，也成为众多技术人员研究的热门。超快激光具备独特的超短脉冲、超强特性，能够聚焦到微米尺度的空间区域，具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。皮秒乃至飞秒量级的脉冲持续时间，远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间，使能量来不及释放，脉冲就已经结束，避免了热量转换及热扩散。这种特性在加工过程中可大大减少被加工区域对周围材料的影响，实现了真正意义上的激光“冷”加工。此外，超快激光微加工可以实现切面整齐，无热扩散、无微裂纹、无熔融区域，并且可以做到在微纳米尺度上对材料结构进行修饰、设计。

《中国科技财富》：目前，超快激光可应用在哪些领域？应用效果如何？

张珂：超强超快激光不仅具有重大的前沿学科意义，还可推动激光科学与现代光学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理等一大批基础学科的发展。超快激光因为具有非常高的功率，可以加工几乎任何类型的材料，包括传统的、很难加工金属、陶瓷和玻璃等材料。超快激光光强大于多光子吸收阀值，可激发透明材料对光子能量的吸收，使材料迅速升温然后骤然降温，可导致光学透明材料折射率的变化，因此在对石英、玻璃、晶体、光纤等各种透明材料进行加工时，可改变其内部结构性质，进行新材料的三维加工及薄膜制备。另外，由于脉宽极小，超快激光在加工时几乎不产生多余的热量，这种无热加工可使加工效果和质量极佳。超快激光在工业应用上非常广泛，在微电子工业的高质量微机械加工应用、医疗设备制造，以及半导体、电子产品显示屏或光伏产业用的薄膜加工等领域都发挥着极其重要的作用。

医疗设备是具有高附加值的产品，在质量方面要求严格，通常要求采用挑战性的工业制造工艺。基于这些原因，超快激光器在医疗设备制造领域获得大量应用。支架是采用激光束切割其框架的小型管道，可以防止手术之后动脉收缩，采用超快激光加工工艺制造这些支架，可以避免在切割过程中产生热量，以保证支架的品质效果。作为超精密外科手术刀，超快激光可用于视力矫正手术，也可用于无痛牙科治疗，可以避免了因温度变化引起的神经痛感。

《中国科技财富》：您一直是激光技术领域的优秀研发人员，请问近年来，您在超快激光技术领域取得了哪些成绩与进展呢？

张珂：近年来，我带领公司技术团队一直致力于超快激光技术的研究工作，特别是在高稳定性超快光纤激光器和中红外可调谐光纤激光器这两个高技术方向进行了大量研究与探索。目前，我们已经研发出超快光纤激光器、超短脉冲激光产生装置、超短脉冲光纤激光种子源、含有循环光纤环路的光纤激光器、2微米光纤激光器等多种先进的设备及技术。目前，我们已经向市场推出多款超快激光器产品，面向工业精密加工、科研领域里的光谱研究、通信及传感类应用，受到了激光系统集成商、科研机构等客户的欢迎与支持。