新型飛秒激光器的市場(chǎng)領(lǐng)域
據(jù)悉，科學(xué)家日前正在開(kāi)發(fā)一種新型飛秒激光器，相比現(xiàn)有技術(shù)而言，對(duì)超高強(qiáng)度硼鋼的切割和成型速度快了一千倍。
根據(jù)現(xiàn)有歐洲項(xiàng)目“PULSE”而進(jìn)行開(kāi)發(fā)的新型超短脈沖激光器不僅能將汽車制造時(shí)間縮短三分之二，而且還可將廢品率減少10%，同時(shí)還能將底盤(pán)成本降低5%。據(jù)悉，該技術(shù)已獲得歐盟Horizon 2020計(jì)劃提供的500萬(wàn)歐元發(fā)展基金的支持。
由于其高強(qiáng)度而在車身中使用的硼鋼非常耐用，通常難以進(jìn)行切割或成型。雖然可以使用等離子弧焊炬進(jìn)行切割，但卻并沒(méi)有脈沖激光加工的精確度或速度。PULSE項(xiàng)目協(xié)調(diào)員Regina Gumenyuk博士表示，目前用于切割硼鋼的激光技術(shù)速度太慢，而且無(wú)法用于大規(guī)模生產(chǎn)。而正在開(kāi)發(fā)的新型飛秒激光器的平均功率為2.5kW，單脈沖功率為100kW，重復(fù)頻率高達(dá)1GHz，足以對(duì)汽車結(jié)構(gòu)中使用的最硬硼鋼進(jìn)行切割，每分鐘可切割1立方厘米，比目前以每分鐘一立方毫米燒蝕硼鋼的現(xiàn)有技術(shù)快一千倍。
Gumenyuk表示：“通過(guò)利用專利保護(hù)的錐形雙包層光纖放大器和功率級(jí)多通道激光器的獨(dú)特特性，PULSE項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)出M2 <1.1的無(wú)與倫比的高功率光束質(zhì)量，脈沖能量在2.5-250μJ之間。”新型激光器將提供對(duì)車輛零件進(jìn)行蝕刻模具所需的控制精度，以及改進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)，以減輕車輛底盤(pán)的重量，有利于節(jié)約燃料并增加電動(dòng)車輛的使用范圍。
“買(mǎi)寶石的人，常常為難以辨別寶石的真假而煩惱，用飛秒激光探針打一打，很快就可以探明真?zhèn)危@一過(guò)程不僅快，而且對(duì)寶石的損傷可以忽略。”5月29日，武漢理工大學(xué)理學(xué)院教授盧景琦向科技日?qǐng)?bào)記者介紹了神奇的飛秒激光探針。最近，盧景琦帶領(lǐng)他的科研團(tuán)隊(duì)剛剛完成了一項(xiàng)研究，用納秒、飛秒以及雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（俗稱激光探針）分別對(duì)18組標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行了成分和熱值分析。這一研究成果已于近期在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表。盧景琦感嘆，飛秒激光探針在未來(lái)的在線快速檢測(cè)領(lǐng)域大有可為。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是用激光打到樣品上，激發(fā)出等離子體。然后，通過(guò)測(cè)等離子體的光譜，來(lái)獲得樣品中的元素成分和含量，這項(xiàng)技術(shù)就是激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)。”盧景琦說(shuō)：大家形象的把它稱為“激光探針”。激光探針是一種新興的光譜分析技術(shù)，具有檢測(cè)方便、速度快、制樣簡(jiǎn)單、可以多元素實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。近十年來(lái)激光探針應(yīng)用研究在石油化工、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、食品安全、礦產(chǎn)探測(cè)、文物考古等多個(gè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。
2017年，盧景琦帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始應(yīng)用激光探針對(duì)煤炭質(zhì)量進(jìn)行快速檢測(cè)的研究。
火電廠用煤做燃料，然而煤炭的質(zhì)量決定了燃燒的效率和污染排放的程度，所以火電廠需要根據(jù)煤的質(zhì)量來(lái)調(diào)整鍋爐的參數(shù)，以提高燃燒效率達(dá)到節(jié)能減排的效果。盧景琦介紹，為了實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，激光探針還沒(méi)有出來(lái)之前，電廠曾用過(guò)中子活化技術(shù)，利用中子放射源發(fā)射中子激發(fā)出γ射線來(lái)檢測(cè)煤炭中元素和含量。但由于中子源屬于放射性物質(zhì)，需要專門(mén)機(jī)構(gòu)來(lái)管理，設(shè)備和維護(hù)成本都很高，企業(yè)往往不愿意使用。
他們研發(fā)出納秒激光探針，已用于煤炭質(zhì)量快速檢測(cè)，只需幾分鐘時(shí)間便可以得到結(jié)果。盧景琦說(shuō)，現(xiàn)在納秒激光探針已經(jīng)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，其中的核心設(shè)備納秒激光器也越來(lái)越便宜了，進(jìn)口的也就20萬(wàn)元左右。
“最新的研究成果是納秒、飛秒以及雙脈沖激光探針的比較研究，納秒、皮秒、飛秒脈沖時(shí)間都很短，納秒是10－9量級(jí)的，到了飛秒速度特別快，10－15量級(jí)，還沒(méi)等各種熱效應(yīng)起來(lái)的時(shí)候激發(fā)就結(jié)束了，這種超短的時(shí)間特性，使得飛秒激光探針能夠很好地避免基體效應(yīng)和分餾效應(yīng)。”盧景琦說(shuō)：從原理上來(lái)看，飛秒激光探針應(yīng)該定量更準(zhǔn)、測(cè)量更快，對(duì)樣品損傷更小。
但是由于國(guó)外飛秒激光器價(jià)格昂貴、體積超大，盧景琦研制飛秒激光探針在線檢測(cè)的想法一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)。2018年一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)得知武漢虹拓新技術(shù)公司自主研發(fā)的小型飛秒激光器取得突破，盧景琦第一時(shí)間與武漢虹拓飛秒激光器研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，開(kāi)發(fā)出可用于煤炭在線檢測(cè)的飛秒激光探針。在對(duì)18個(gè)含有不同熱值的標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行熱值定量分析后，證明飛秒激光探針比納秒激光探針具有更小的連續(xù)背景噪聲、單發(fā)脈沖光譜強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差更小，說(shuō)明穩(wěn)定性更高，可重復(fù)性更好，也更加精準(zhǔn)。
盧景琦一直致力于激光技術(shù)及激光應(yīng)用領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)，曾在跨國(guó)公司做了6年多的生物成像產(chǎn)品研發(fā)，對(duì)于激光技術(shù)的應(yīng)用和精密光學(xué)儀器設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盧景琦還將飛秒激光探針用于土壤檢測(cè)試驗(yàn)，用于分析土壤中的重金屬污染。他說(shuō)，應(yīng)用的領(lǐng)域非常多，比如油井礦物成分的分析，以及水資源、空氣污染的檢測(cè)等等。國(guó)家現(xiàn)在對(duì)土壤監(jiān)測(cè)需求量特別大，把土壤樣品都送到實(shí)驗(yàn)室去檢測(cè)比較麻煩，盧景琦設(shè)想將來(lái)做一套車載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)。
“這是一個(gè)具有巨大潛力的產(chǎn)業(yè)，也是各國(guó)正在搶占的技術(shù)高地。”盧景琦非常看好飛秒激光探針技術(shù)，他對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)，隨著以武漢虹拓為代表的我國(guó)自主飛秒激光器的創(chuàng)新突破，價(jià)格會(huì)大幅降低，飛秒激光探針的普及指日可待。他希望國(guó)內(nèi)通過(guò)產(chǎn)學(xué)研集群式創(chuàng)新，加快飛秒激光探針在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而打造中國(guó)自主領(lǐng)先的飛秒激光探針產(chǎn)業(yè)。
飛秒激光有什么用途呢？眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。
在微加工領(lǐng)域，由于其對(duì)材料周圍影響極小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至應(yīng)用于集成電路的光刻工藝中。在國(guó)防領(lǐng)域，飛秒激光應(yīng)用在安全切割高爆炸藥，拆除廢舊退役的火箭，炮彈等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光像一把精密的手術(shù)刀，用于治療近視，美容等方面。在生物學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光轟擊細(xì)胞 DNA，使其發(fā)生突變，用于研究基因變化的各種影響。 在環(huán)境領(lǐng)域，飛秒激光 LIBS 技術(shù)測(cè)量大氣污染成分，檢測(cè)環(huán)境污染水平。在科研領(lǐng)域，飛秒激光更是無(wú)處不在。隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光能在更多領(lǐng)域獲得更多的應(yīng)用。
物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長(zhǎng)的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線飛秒激光，產(chǎn)生β射線激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。
高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)現(xiàn)新一代能源開(kāi)辟一條嶄新的途徑。
