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北理工:新型激光模式会引发3D打印技术变革吗?

南极熊导读:激光作为3D打印技术中熔融粉末材料的能量形式,在金属、高分子聚合物等不同领域占据核心地位。一般的激光模式是一个点;然而,如果有了全新的激光模式,会不会引发全新的3D打印技术变革?

北京理工大学副研究员张子龙,在“中国增材制造产业发展芜湖(繁昌)高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会”发表的这篇主题演讲《新型激光模式在增材制造领域的应用前景》,或许可以给全行业带来新的启发。

以下是文字实录:

张子龙(北京理工大学副研究员):尊敬的各位领导、各位专家、各位同行,我是张子龙,来自北京理工大学。跟大家称同行,可能稍微有一点牵强,因为我主要在从事激光技术的研究,可能和周老师算是同行。

今天给大家分享交流的内容是新型的激光模式在增材制造当中,可能有的应用前景。主要想给大家带来两个分享的点。

第一点:可能做增材制造,或者用激光做增材制造的专家们不是特别理解激光本身的原理和技术,我在介绍当中把激光原理和技术稍微做一点介绍,尤其是激光模式,包括现在屏幕当中新型的激光模式。

第二点:新型激光在增材制造当中是不是会有一些将来可能应用的点,相当于对增材制造做一个补充,提供一个新的发展思路。

这里是我本身做的一个科研方向的介绍,大概就是激光技术和激光应用技术两方面。

今天报告主要的结构是这样的:

第一,激光在咱们工业以及军事各个领域的应用。

第二,激光在增材制造当中的应用。

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当中会有一些应用。

首先我们看激光的应用,为什么激光能在工业领域,包括其他很多行业发挥越来越重要的作用,就是因为激光本身的特点,区别于传统的光源。激光的特点就是高亮点、高方向性、高单色性,这样一些特点就决定了它能够发挥出非常重要的作用。分别对应的高亮度、高方向性、高单色性,从物理概念来讲的话,它就是时域的特性、频域的特性、空域的特色。

时域特性和频域特性,前面的专家都已经探讨过了。时域特性,一方面在时间上,我们可以是连续的激光,也就是脉冲的激光。在不同的时间单位之内可以有不同的能量输出,就是对应不同的功率,这也是它的时域特性。那么频域特性就是不同的波长,不同的激光有不同的波长,不同的波长又对应不同材料的吸收特性,那么就可以相应匹配上开展加工制造的应用。

所以,我这个报告里面主要介绍的是空域的特性,或者我们在应用当中接触得不是特别多。实际上刚才周老师已经点到了,周老师在研究的环状光束在激光当中增材制造的应用,实际上这两个光束也都可以认为是新型的光束,这是比较于传统的高斯光束或者是平顶光束,是一种新型的光束。

这些在各个方面的应用,这是简单的举个例子。我们激光增材制造呢,这里也讲一下它的意思。我们增材制造或者基于激光的增材制造我们先打一个二维的结构,然后从二维不断到三维的过程。实际上这个过程,我们可以简称是激光3D打印。我觉得可能是2.5D打印,或者2D到3D的打印,因为毕竟我们在打印的过程当中都是二维的,打完二维之后再向上成为一个三维的。所以后面探讨的可能应用呢,新型的光束在增材制造当中的应用就是更标准的,就是我们在做的过程当中直接三维成型。在z轴不同的位置上,它的打印时间几乎是一致的。

这儿的激光增材制造、激光选序熔融、熔敷层积,就是铺粉、送粉都已经非常了解了,都进行了详细的介绍。那么还有两种,一个是立体光固化。这个立体光固化后面就是新型的模式可能会应用的方向,就是和具有透光特性的数字材料的相互作用成型激光的空间结构。

这些在航天的领域,还有生物医疗的领域,产生三维模型都发挥了重要的作用。下面稍微重点介绍一下我们新型的激光模式,这个有点像激光原理的介绍,我们这个激光到底是怎么产生的呢。首先我们要有一个激光增益介质,棒状的,板条的,或者是光纤,它们都是激光的增益介质。我们给这个增益介质进行泵浦以后,它就会吸收能量,吸收能量后续进行释放,释放的过程当中,由于原子内部能级机构的改变就会释放出不同的光子来。但是在增益介质当中释放出光子,它像我们的灯、太阳一样的,是四面八方去辐射的。那么怎么样才能产生激光呢?我们就要在增益介质外面去加一个谐振枪,实际上是两个腔镜,它对特定的波长具有高反的特性,那么这个激光就可以在谐振枪内进行多次往返的振荡,从而实现受激光放大和输出。那么在激光谐振腔内及输出后,就会形成三维的激光模式。

我们来看左边这幅图,下面这两个小图。左边那个00、10、01星和01,这些就表明了激光在谐振腔内的横截面上的光强分布形式,它门是XY平面上的光强分布。那么像右边像正旋波一样的曲线,实际上在谐振腔内激光场本身振荡的一个周期都是一个激光波长,那么谐振腔里面可能会有很多的激光波长值。那么这个叫做激光的纵模,因为它是沿着腔轴的,所以叫纵模。

在XY平面的分布形式是横模,今天探讨的新型激光模式,就是主要在讲横模。那么右边新型的谐振腔,这是今年刚刚报道的,在谐振腔内加入了一个J玻片,一束倍频产生的绿光通过它以后变成了涡旋的光束。在谐振腔内加入一些对激光进行调控的光学元件,就会产生新型的激光模式。那这是其中的一种,还有很多包括激光腔腔参数的设计,还有泵浦参数的设计,都可以产生不同的激光模式。

我们来看一下经典的激光模式,就是左边的这些图,最左边这三个一列的图它是厄密高斯光束,第二列就是拉盖尔高速光束,它们实际上是两种不同的数学表达式解得的节能枪的模式,它们分别对应的节能枪是轴对称的,或者是难对称的模型。

再往右的两个分别是拉盖尔高斯光束的正弦分量和余弦分量,实际上我们在现在的激光加工,还有增材制造领域应用最广泛的就是上面这一排的,它们其实都是00模,就是高斯的模式,或者是近似于高斯模式的平顶式的光强分布,很多激光加工探讨当中也是高速分布或者是平顶分布在加速过程当中的优劣。

然后我们来看实际上激光横模可以具有的分布形式是非常多的,这幅图给出的,这些都是别人报道出来的实验结果,都是从谐振腔内产生的。那我们看厄密高斯光束有不同的阶数,拉盖尔高斯光束下面也是有不同的阶数,然后还有不同的环数,还有它的正余旋分量,下面是特殊的模式,拉盖尔高斯光束的叠加态,还有更为特殊的,像矩形的均匀光束,还有艾里光束,这些都是近些年研究出来比较新型的。

实际上在我的介绍当中这些所谓的新型模式,这里面的绝大部分的模式,都可以认为是新型的激光模式。为什么?因为我们传统的激光器应用的,或者是输出的模式,基本上都是以高斯,或者是高斯附近低阶模式叠加的状态,我们不太去考虑二维空间的结构。当我们去考虑二维空间结构的话,我们就会发现激光非常的漂亮,它有非常多不同的样式。

这部分是我去年和今年新出的科研的成果,我们除了上一页的那些状态,这个模式之外,还会有更为复杂激光的模式,它实际上就是不同的厄密高斯光束、拉盖尔高斯光束复杂的叠加态。左边是同阶的厄密高斯光束的叠加态,它的阶数呢,实际上刚才在上副图给出了,是会有区别的。然后它们不同的阶数进行叠加,产生更多新颖的模式。

实际上左边之前有一些报道,但是右边这个图是我们最新的成果,是之前都没有相关报道的。像中间图C的,大家可以看到这个模式分布,像010,像北京的区号一样,它可以产成很多新奇的样式,它是一个非同阶模式叠加的结果。我们从原理上、实验上都验证了非同阶的激光模式,它也是可以相干叠加的,同时叠加的结果就会产生非常丰富的激光模式花样。

再来看还有更复杂的模式,这幅图有点像蝴蝶一样的这种模式,也是我们首次发现的。还有这边像汉字一样的模式,像激光节能枪能直接输出汉字。像工、日、三、王、吕这些。

还有我们可以去调整激光腔结构参数,实现更加可控的、连续模式的变化。可以输出像右边这个图这么复杂的图案,它不是简单的,像我刚才说的那种基本模式的叠加了,像这种复杂的状态类似于几何结构,去把它呈现出来的。

另外呢,刚才我们前面所有介绍的都是一种基频的,所谓基频的激光就是我们只考虑这一个频率,它没有转换到其他的频率上去。如果我们去考虑非线性效应的话,就是做一些这种频率的变换。那么这个激光模式就会呈现出一种空间的变化,那么随着传输的过程当中,它在XY平面内的光强分布就会发生连续的变化。

像我们这幅图给出来,实际上右上角这幅图非常直观,这是中间非常接近于小圆点的状态逐渐向外发散,发散的过程当中,三个光斑也在逐渐的扩大,扩大的过程当中它们的样式、分布会发生位移。

那后面介绍一下前面提到的这些光束,它们在增材制造当中,可能会产生应用的一些前景,其实也是有一些报道已经把它展示出来了。

我们来看左边这幅图,这幅图是在增材制造领域发的一个封面文章。通过立体光固化的方式产生了类似于仙人掌表面刺的微纳结构,做出微纳结构就可以模拟疏水的特性,这些微纳结构在仿生材料领域有很大的应用价值。但是我们仔细来看的话,详细的结构实际上是分层的。我们在3D打印的过程当中是每一层在向上长,下面的面积会大一点,那么向上长的过程当中,它会逐渐减小。减小的过程当中,就形成了这种台阶。这个台阶实际上和我们真实的情况并不是一致的,也就是说它存在空间分辨率的问题。

但是我们直接去用类似的光束,来去产生这个结构呢。这个光束在曝光的介质当中,传输的过程当中就可以把它固化,这个过程当中就直接形成了3D结构生成,因为光束传播是非常快的。所以,在转瞬之间可以把三维结构相当于同时于产生。

我们左边给的这幅图是上个月刚刚发表的一篇论文,在顶级光学期刊的一个封面文章,它产生的就是螺旋传输的光束。那么这个光束实际上和我们这个有一些近似的,我们只是做一个表征,并不代表它绝对可以有这个对应。但是我们是可以与尝试类似的工作。那么真正去做这个工作是在2012年有一篇开创性的文章,发表在科学杂志上面。就是用了简单的环形光束,环形的光束是有螺旋的相位分布的,那么这个螺旋的相位分布如果和球面波、平面波干涉以后,它就会有一些相对来说比较复杂的光场分布。中间和球面波干涉以后,会有一个螺旋的光强分布,那么这个螺旋的光强分布再照射到光固化的材料上面,就可以产生出这样一个锥状的结构。这个锥状的结构近看的话,还是有一个螺旋在里面的,也就是说实际上这个材料已经把我们这个光的空间结构记录了下来,也可以说我们这个光直接把这个材料打印成了这样一个结构。

这个工作实际上是很简单光的分布情况,但是他们做了第一个尝试。那如果我们考虑有更复杂的光束分布的情况,那么它在进一步探索的话,可能会产生更多的结果,会有更多应用的场景。

在这之后就是到2017年了才有继续工作的跟进,实际上他们的工作非常相似,也是用了一阶的拉盖尔高斯光束产生出了同样的锥状微纳结构,只不过他们这个结构更丰富了,他们分析了更多的参数和更多的情况,产生了不同的结果。

接着另一个工作也是在2017年,这个工作是把两个三阶不同手性的螺旋光束进行干涉,同时还再干涉一个平面波。那么干涉完光强分布的情况,刚才也是举例子了,逐渐向外扩散,扩散出三个瓣状的结构。他们也把这个光强和增材制造结合起来,和3D打印结合起来,直接就形成了类似于螺旋桨的结构。大家看最右下面的这幅图,就是类似于螺旋桨的样式。实际上也是把激光空间的分布情况,进行了呈现。

后续这三个工作是目前调研到的,用新型的激光光束或者是空间结构光束和3D打印结合的一些工作,其实还有很多的工作可以去探索,可以去挖掘。这些工作也是给我们指引了新的方向,还有提供了新的思路。

那么简单对上面的内容进行总结,我们介绍了一下近年来我们这个课题组,或者是其他的课题组在新型激光模式的成果,同时也介绍了可能的应用。它的优点实际上就是会有非常快的速度,以及更高的空间分辨率,尤其是微纳3D打印方面有非常大的应用价值。当然也是有一些问题需要解决的,就是空间的结构光束,它的功率一般不是很高,一般都是在毫瓦的量级,想要获得高功率的输出还是有一定的工作要开展。

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