1月19日

《人民日報》要聞版

《講述·弘揚科學(xué)家精神》專欄

以《執(zhí)著探索，

用好那道超強超快的光》

為題，生動講述了

中國科學(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，長期從事飛秒激光制造研究，是我國激光制造領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)帶頭人之一。曾獲得國家自然科學(xué)獎二等獎、何梁何利科技創(chuàng)新獎等。2023年5月，被授予第三屆全國創(chuàng)新爭先獎。2023年11月當(dāng)選中國科學(xué)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(nèi)極速釋放，其峰值功率可提升數(shù)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(yīng)用前景。

專注飛秒激光制造研究20多年來，姜瀾團(tuán)隊實現(xiàn)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(guī)劃，推動我國在該領(lǐng)域躋身國際第一梯隊。

時間這么短、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，但在很長一段時間里，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在哪？姜瀾介紹，經(jīng)典理論難以預(yù)測飛秒激光加工的形狀，加工機理也難以描述，這便是團(tuán)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?！?/strong>姜瀾說。

姜瀾（右一）和團(tuán)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(fā)生劇變，為探究這一變化，姜瀾及團(tuán)隊潛心研究，建立了等離子體量子模型，首次預(yù)測了飛秒激光加工形狀，并成功預(yù)測了一系列重要反常效應(yīng)。起初，學(xué)界對此尚有疑問，隨著姜瀾所提出模型的主要假設(shè)和預(yù)測在全球范圍內(nèi)被廣泛驗證，研究成果才逐漸獲得了認(rèn)可。

驗證了模型，還需有直觀的觀測結(jié)果來佐證，即將飛秒激光制造的過程“拍”下來。由于傳統(tǒng)觀測技術(shù)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(lǐng)團(tuán)隊研制了跨尺度準(zhǔn)三維超快連續(xù)攝像系統(tǒng)，首次實現(xiàn)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(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，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(shè)備、項目經(jīng)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(xué)、材料、化學(xué)等多學(xué)科，對于不熟悉的領(lǐng)域，姜瀾通過自學(xué)或請教相關(guān)專家，最終在除機械領(lǐng)域之外的多個學(xué)科取得突破，也為接下來的研究打下了基礎(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)控飛秒激光制造過程的方法。

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

姜瀾帶領(lǐng)團(tuán)隊邊摸索邊驗證，最終基于電子動態(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，也無法取得好的應(yīng)用發(fā)展?！苯獮懻f。

基于電子動態(tài)調(diào)控新原理、新方法，姜瀾帶領(lǐng)團(tuán)隊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，率先實現(xiàn)了飛秒激光制造的重大工程應(yīng)用及規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

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

實驗室技術(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、實用性等約束條件。為此，姜瀾團(tuán)隊與合作企業(yè)一起，反復(fù)驗證工藝、調(diào)整參數(shù)。“經(jīng)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(tuán)隊成員、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?！?/strong>姜瀾對團(tuán)隊師生的要求，已成為團(tuán)隊文化的一部分。

多年以前，激光制造只是機械工程領(lǐng)域的一個三級分支，沒有相關(guān)部門的系統(tǒng)化支持。研究人員少、科研經(jīng)費少、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，與世界先進(jìn)水平相比差距明顯。

姜瀾意識到，迎頭追趕，光靠一兩個團(tuán)隊不行，“做大做強學(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，國家自然科學(xué)基金委將高能束與特種能場制造領(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實驗

姜瀾帶領(lǐng)專家組投入大量時間和精力，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(fā)展規(guī)劃和科技部、基金委等5年部級科技規(guī)劃12項。

其中，“十三五”國家重點研發(fā)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(jīng)常工作、討論到凌晨?！苯獮懟貞洝?/p>

30余次專題論證會，調(diào)研走訪70多家企業(yè)，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(lǐng)域唯一一個“建長板”的國家重點專項。

上百家科研機構(gòu)、上千家企業(yè)從事激光制造相關(guān)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(yè)發(fā)展立場編制規(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)時代，技術(shù)的發(fā)展不能靠單打獨斗?！?/strong>姜瀾說，激光制造領(lǐng)域還有許多待解的難題，團(tuán)隊將立足“四個面向”，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研的攻堅力量，努力為制造強國、教育強國、科技強國作出應(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，而他更大的貢獻(xiàn)是作為我國激光制造領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)帶頭人之一，推動我國在該領(lǐng)域躋身國際第一梯隊。

激光制造領(lǐng)域有上百家科研機構(gòu)、上千家相關(guān)企業(yè)，各方對技術(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。

錨定關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，推動高水平科技自立自強，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，協(xié)力打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)。我國激光制造技術(shù)發(fā)展的歷程啟示我們：科研規(guī)劃和項目設(shè)計必須圍繞國家需求，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。