姜瀾：執(zhí)著探索，用好那道超強超快的光
姜瀾（右一）和團隊成員在做實驗。
北京理工大學供圖
人物小傳
姜瀾，1972年生，四川自貢人。北京理工大學首批講席教授，長期從事飛秒激光制造研究，是我國激光制造領(lǐng)域的主要學術(shù)帶頭人之一。曾獲得國家自然科學獎二等獎、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月當選中國科學院院士。
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”，有著廣闊的應用前景。
專注飛秒激光制造研究20多年來，姜瀾團隊實現(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。
建立等離子體量子模型，首次預測飛秒激光加工形狀
時間這么短、能量這么高，飛秒激光將被人們?nèi)绾卫茫侩m然在理論層面有諸多優(yōu)勢，但在很長一段時間里，飛秒激光制造應用還停留在概念層面。
從概念到應用，飛秒激光制造的難點在哪？姜瀾介紹，經(jīng)典理論難以預測飛秒激光加工的形狀，加工機理也難以描述，這便是團隊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。”姜瀾說。
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，姜瀾及團隊潛心研究，建立了等離子體量子模型，首次預測了飛秒激光加工形狀，并成功預測了一系列重要反常效應。起初，學界對此尚有疑問，隨著姜瀾所提出模型的主要假設和預測在全球范圍內(nèi)被廣泛驗證，研究成果才逐漸獲得了認可。
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)團隊研制了跨尺度準三維超快連續(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、材料、化學等多學科，對于不熟悉的領(lǐng)域，姜瀾通過自學或請教相關(guān)專家，最終在除機械領(lǐng)域之外的多個學科取得突破，也為接下來的研究打下了基礎(chǔ)。
以高質(zhì)量原創(chuàng)性研究，不斷拓展激光制造應用場景
飛秒激光的特性導致加工效率低、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，使可重復加工精度達波長的1/14等。
“再先進的加工技術(shù)，如果只停留在紙面上，也無法取得好的應用發(fā)展。”姜瀾說。
基于電子動態(tài)調(diào)控新原理、新方法，姜瀾帶領(lǐng)團隊接連突破難加工材料三維復雜微細結(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用及規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應用。
“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。”姜瀾介紹，應用電子動態(tài)調(diào)控制造新原理、新技術(shù)，團隊與企業(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，姜瀾團隊與合作企業(yè)一起，反復驗證工藝、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。”姜瀾團隊成員、北京理工大學教授胡潔回憶。
攻克復合材料高質(zhì)量加工、制備新材料新器件、研制高精尖制造裝備……如今，姜瀾團隊以高質(zhì)量原創(chuàng)性工作，正不斷開拓激光制造的應用場景。“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。”姜瀾對團隊師生的要求，已成為團隊文化的一部分。
聯(lián)合產(chǎn)學研攻堅力量，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
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，與世界先進水平相比差距明顯。
姜瀾意識到，迎頭追趕，光靠一兩個團隊不行，“做大做強學科，必須把科研界和產(chǎn)業(yè)界團結(jié)在一起，共同發(fā)力”。
2008年，國家自然科學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，并由姜瀾擔任該領(lǐng)域負責人。在前輩學者的指導下，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。”姜瀾回憶。
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，獲得了大家的認可。”一位行業(yè)專家表示。
“大科學時代，技術(shù)的發(fā)展不能靠單打獨斗。”姜瀾說，激光制造領(lǐng)域還有許多待解的難題，團隊將立足“四個面向”，聯(lián)合產(chǎn)學研的攻堅力量，努力為制造強國、教育強國、科技強國作出應有的貢獻。
記者手記
凝聚科研攻關(guān)的合力
姜瀾在飛秒激光制造領(lǐng)域取得了很大的成績，而他更大的貢獻是作為我國激光制造領(lǐng)域的主要學術(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)劃獲得普遍認可，從而促進了學科和行業(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展。
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