北京理工大學張子龍：新型激光模式在增材制造領域的應用前景

2020年8月20日-21日，中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，中國增材制造產業(yè)聯盟主辦，繁昌縣人民政府協辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△北京理工大學副研究員張子龍

在“中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，北京理工大學副研究員張子龍發(fā)表主題演講，題目是《新型激光模式在增材制造領域的應用前景》，以下是本場演講的現場速記，經大會組委會授權發(fā)布。
△視頻：張子龍《新型激光模式在增材制造領域的應用前景》

張子龍（北京理工大學副研究員）：尊敬的各位領導、各位專家、各位同行，我是張子龍，來自北京理工大學。跟大家稱同行，可能稍微有一點牽強，因為我主要在從事激光技術的研究，可能和周老師算是同行。
今天給大家分享交流的內容是新型的激光模式在增材制造當中，可能有的應用前景。主要想給大家?guī)�來兩個分享的點。
第一點：可能做增材制造，或者用激光做增材制造的專家們不是特別理解激光本身的原理和技術，我在介紹當中把激光原理和技術稍微做一點介紹，尤其是激光模式，包括現在屏幕當中新型的激光模式。
第二點：新型激光在增材制造當中是不是會有一些將來可能應用的點，相當于對增材制造做一個補充，提供一個新的發(fā)展思路。
這里是我本身做的一個科研方向的介紹，大概就是激光技術和激光應用技術兩方面。

今天報告主要的結構是這樣的：
第一，激光在咱們工業(yè)以及軍事各個領域的應用。
第二，激光在增材制造當中的應用。
第三，新型的激光模式。
第四，新型激光模式是不是在增材制造當中會有一些應用。

首先我們看激光的應用，為什么激光能在工業(yè)領域，包括其他很多行業(yè)發(fā)揮越來越重要的作用，就是因為激光本身的特點，區(qū)別于傳統(tǒng)的光源。激光的特點就是高亮點、高方向性、高單色性，這樣一些特點就決定了它能夠發(fā)揮出非常重要的作用。分別對應的高亮度、高方向性、高單色性，從物理概念來講的話，它就是時域的特性、頻域的特性、空域的特色。

時域特性和頻域特性，前面的專家都已經探討過了。時域特性，一方面在時間上，我們可以是連續(xù)的激光，也就是脈沖的激光。在不同的時間單位之內可以有不同的能量輸出，就是對應不同的功率，這也是它的時域特性。那么頻域特性就是不同的波長，不同的激光有不同的波長，不同的波長又對應不同材料的吸收特性，那么就可以相應匹配上開展加工制造的應用。

所以，我這個報告里面主要介紹的是空域的特性，或者我們在應用當中接觸得不是特別多。實際上剛才周老師已經點到了，周老師在研究的環(huán)狀光束在激光當中增材制造的應用，實際上這兩個光束也都可以認為是新型的光束，這是比較于傳統(tǒng)的高斯光束或者是平頂光束，是一種新型的光束。

這些在各個方面的應用，這是簡單的舉個例子。我們激光增材制造呢，這里也講一下它的意思。我們增材制造或者基于激光的增材制造我們先打一個二維的結構，然后從二維不斷到三維的過程。實際上這個過程，我們可以簡稱是激光3D打印。我覺得可能是2.5D打印，或者2D到3D的打印，因為畢竟我們在打印的過程當中都是二維的，打完二維之后再向上成為一個三維的。所以后面探討的可能應用呢，新型的光束在增材制造當中的應用就是更標準的，就是我們在做的過程當中直接三維成型。在z軸不同的位置上，它的打印時間幾乎是一致的。

這兒的激光增材制造、激光選序熔融、熔敷層積，就是鋪粉、送粉都已經非常了解了，都進行了詳細的介紹。那么還有兩種，一個是立體光固化。這個立體光固化后面就是新型的模式可能會應用的方向，就是和具有透光特性的數字材料的相互作用成型激光的空間結構。

這些在航天的領域，還有生物醫(yī)療的領域，產生三維模型都發(fā)揮了重要的作用。下面稍微重點介紹一下我們新型的激光模式，這個有點像激光原理的介紹，我們這個激光到底是怎么產生的呢。首先我們要有一個激光增益介質，棒狀的，板條的，或者是光纖，它們都是激光的增益介質。我們給這個增益介質進行泵浦以后，它就會吸收能量，吸收能量后續(xù)進行釋放，釋放的過程當中，由于原子內部能級機構的改變就會釋放出不同的光子來。但是在增益介質當中釋放出光子，它像我們的燈、太陽一樣的，是四面八方去輻射的。那么怎么樣才能產生激光呢？我們就要在增益介質外面去加一個諧振槍，實際上是兩個腔鏡，它對特定的波長具有高反的特性，那么這個激光就可以在諧振槍內進行多次往返的振蕩，從而實現受激光放大和輸出。那么在激光諧振腔內及輸出后，就會形成三維的激光模式。

我們來看左邊這幅圖，下面這兩個小圖。左邊那個00、10、01星和01，這些就表明了激光在諧振腔內的橫截面上的光強分布形式，它門是XY平面上的光強分布。那么像右邊像正旋波一樣的曲線，實際上在諧振腔內激光場本身振蕩的一個周期都是一個激光波長，那么諧振腔里面可能會有很多的激光波長值。那么這個叫做激光的縱模，因為它是沿著腔軸的，所以叫縱模。

在XY平面的分布形式是橫模，今天探討的新型激光模式，就是主要在講橫模。那么右邊新型的諧振腔，這是今年剛剛報道的，在諧振腔內加入了一個J玻片，一束倍頻產生的綠光通過它以后變成了渦旋的光束。在諧振腔內加入一些對激光進行調控的光學元件，就會產生新型的激光模式。那這是其中的一種，還有很多包括激光腔腔參數的設計，還有泵浦參數的設計，都可以產生不同的激光模式。

我們來看一下經典的激光模式，就是左邊的這些圖，最左邊這三個一列的圖它是厄密高斯光束，第二列就是拉蓋爾高速光束，它們實際上是兩種不同的數學表達式解得的節(jié)能槍的模式，它們分別對應的節(jié)能槍是軸對稱的，或者是難對稱的模型。

再往右的兩個分別是拉蓋爾高斯光束的正弦分量和余弦分量，實際上我們在現在的激光加工，還有增材制造領域應用最廣泛的就是上面這一排的，它們其實都是00模，就是高斯的模式，或者是近似于高斯模式的平頂式的光強分布，很多激光加工探討當中也是高速分布或者是平頂分布在加速過程當中的優(yōu)劣。

然后我們來看實際上激光橫�？梢跃哂械姆植夹问绞欠浅６嗟�，這幅圖給出的，這些都是別人報道出來的實驗結果，都是從諧振腔內產生的。那我們看厄密高斯光束有不同的階數，拉蓋爾高斯光束下面也是有不同的階數，然后還有不同的環(huán)數，還有它的正余旋分量，下面是特殊的模式，拉蓋爾高斯光束的疊加態(tài)，還有更為特殊的，像矩形的均勻光束，還有艾里光束，這些都是近些年研究出來比較新型的。

實際上在我的介紹當中這些所謂的新型模式，這里面的絕大部分的模式，都可以認為是新型的激光模式。為什么？因為我們傳統(tǒng)的激光器應用的，或者是輸出的模式，基本上都是以高斯，或者是高斯附近低階模式疊加的狀態(tài)，我們不太去考慮二維空間的結構。當我們去考慮二維空間結構的話，我們就會發(fā)現激光非常的漂亮，它有非常多不同的樣式。

這部分是我去年和今年新出的科研的成果，我們除了上一頁的那些狀態(tài)，這個模式之外，還會有更為復雜激光的模式，它實際上就是不同的厄密高斯光束、拉蓋爾高斯光束復雜的疊加態(tài)。左邊是同階的厄密高斯光束的疊加態(tài)，它的階數呢，實際上剛才在上副圖給出了，是會有區(qū)別的。然后它們不同的階數進行疊加，產生更多新穎的模式。

實際上左邊之前有一些報道，但是右邊這個圖是我們最新的成果，是之前都沒有相關報道的。像中間圖C的，大家可以看到這個模式分布，像010，像北京的區(qū)號一樣，它可以產成很多新奇的樣式，它是一個非同階模式疊加的結果。我們從原理上、實驗上都驗證了非同階的激光模式，它也是可以相干疊加的，同時疊加的結果就會產生非常豐富的激光模式花樣。

再來看還有更復雜的模式，這幅圖有點像蝴蝶一樣的這種模式，也是我們首次發(fā)現的。還有這邊像漢字一樣的模式，像激光節(jié)能槍能直接輸出漢字。像工、日、三、王、呂這些。

還有我們可以去調整激光腔結構參數，實現更加可控的、連續(xù)模式的變化�？梢暂敵鱿裼疫呥@個圖這么復雜的圖案，它不是簡單的，像我剛才說的那種基本模式的疊加了，像這種復雜的狀態(tài)類似于幾何結構，去把它呈現出來的。

另外呢，剛才我們前面所有介紹的都是一種基頻的，所謂基頻的激光就是我們只考慮這一個頻率，它沒有轉換到其他的頻率上去。如果我們去考慮非線性效應的話，就是做一些這種頻率的變換。那么這個激光模式就會呈現出一種空間的變化，那么隨著傳輸的過程當中，它在XY平面內的光強分布就會發(fā)生連續(xù)的變化。

像我們這幅圖給出來，實際上右上角這幅圖非常直觀，這是中間非常接近于小圓點的狀態(tài)逐漸向外發(fā)散，發(fā)散的過程當中，三個光斑也在逐漸的擴大，擴大的過程當中它們的樣式、分布會發(fā)生位移。

那后面介紹一下前面提到的這些光束，它們在增材制造當中，可能會產生應用的一些前景，其實也是有一些報道已經把它展示出來了。

我們來看左邊這幅圖，這幅圖是在增材制造領域發(fā)的一個封面文章。通過立體光固化的方式產生了類似于仙人掌表面刺的微納結構，做出微納結構就可以模擬疏水的特性，這些微納結構在仿生材料領域有很大的應用價值。但是我們仔細來看的話，詳細的結構實際上是分層的。我們在3D打印的過程當中是每一層在向上長，下面的面積會大一點，那么向上長的過程當中，它會逐漸減小。減小的過程當中，就形成了這種臺階。這個臺階實際上和我們真實的情況并不是一致的，也就是說它存在空間分辨率的問題。

但是我們直接去用類似的光束，來去產生這個結構呢。這個光束在曝光的介質當中，傳輸的過程當中就可以把它固化，這個過程當中就直接形成了3D結構生成，因為光束傳播是非�？斓�。所以，在轉瞬之間可以把三維結構相當于同時于產生。

我們左邊給的這幅圖是上個月剛剛發(fā)表的一篇論文，在頂級光學期刊的一個封面文章，它產生的就是螺旋傳輸的光束。那么這個光束實際上和我們這個有一些近似的，我們只是做一個表征，并不代表它絕對可以有這個對應。但是我們是可以與嘗試類似的工作。那么真正去做這個工作是在2012年有一篇開創(chuàng)性的文章，發(fā)表在科學雜志上面。就是用了簡單的環(huán)形光束，環(huán)形的光束是有螺旋的相位分布的，那么這個螺旋的相位分布如果和球面波、平面波干涉以后，它就會有一些相對來說比較復雜的光場分布。中間和球面波干涉以后，會有一個螺旋的光強分布，那么這個螺旋的光強分布再照射到光固化的材料上面，就可以產生出這樣一個錐狀的結構。這個錐狀的結構近看的話，還是有一個螺旋在里面的，也就是說實際上這個材料已經把我們這個光的空間結構記錄了下來，也可以說我們這個光直接把這個材料打印成了這樣一個結構。

這個工作實際上是很簡單光的分布情況，但是他們做了第一個嘗試。那如果我們考慮有更復雜的光束分布的情況，那么它在進一步探索的話，可能會產生更多的結果，會有更多應用的場景。

在這之后就是到2017年了才有繼續(xù)工作的跟進，實際上他們的工作非常相似，也是用了一階的拉蓋爾高斯光束產生出了同樣的錐狀微納結構，只不過他們這個結構更豐富了，他們分析了更多的參數和更多的情況，產生了不同的結果。

接著另一個工作也是在2017年，這個工作是把兩個三階不同手性的螺旋光束進行干涉，同時還再干涉一個平面波。那么干涉完光強分布的情況，剛才也是舉例子了，逐漸向外擴散，擴散出三個瓣狀的結構。他們也把這個光強和增材制造結合起來，和3D打印結合起來，直接就形成了類似于螺旋槳的結構。大家看最右下面的這幅圖，就是類似于螺旋槳的樣式。實際上也是把激光空間的分布情況，進行了呈現。

后續(xù)這三個工作是目前調研到的，用新型的激光光束或者是空間結構光束和3D打印結合的一些工作，其實還有很多的工作可以去探索，可以去挖掘。這些工作也是給我們指引了新的方向，還有提供了新的思路。

那么簡單對上面的內容進行總結，我們介紹了一下近年來我們這個課題組，或者是其他的課題組在新型激光模式的成果，同時也介紹了可能的應用。它的優(yōu)點實際上就是會有非常快的速度，以及更高的空間分辨率，尤其是微納3D打印方面有非常大的應用價值。當然也是有一些問題需要解決的，就是空間的結構光束，它的功率一般不是很高，一般都是在毫瓦的量級，想要獲得高功率的輸出還是有一定的工作要開展。

我的介紹就到這兒，謝謝大家！