激光作為3D打印技術(shù)中熔融粉末材料的能量形式，在金屬、高分子聚合物等不同領(lǐng)域占據(jù)核心地位。一般的激光模式是一個(gè)點(diǎn)；然而，如果有了全新的激光模式，會不會引發(fā)全新的3D打印技術(shù)變革？
北京理工大學(xué)副研究員張子龍，在“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會”發(fā)表的這篇主題演講《新型激光模式在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景》，或許可以給全行業(yè)帶來新的啟發(fā)。
以下是文字實(shí)錄：
張子龍（北京理工大學(xué)副研究員）：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位同行，我是張子龍，來自北京理工大學(xué)。跟大家稱同行，可能稍微有一點(diǎn)牽強(qiáng)，因?yàn)槲抑饕趶氖录す饧夹g(shù)的研究，可能和周老師算是同行。
今天給大家分享交流的內(nèi)容是新型的激光模式在增材制造當(dāng)中，可能有的應(yīng)用前景。主要想給大家?guī)韮蓚€(gè)分享的點(diǎn)。
第一點(diǎn)：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(shù)，我在介紹當(dāng)中把激光原理和技術(shù)稍微做一點(diǎn)介紹，尤其是激光模式，包括現(xiàn)在屏幕當(dāng)中新型的激光模式。
第二點(diǎn)：新型激光在增材制造當(dāng)中是不是會有一些將來可能應(yīng)用的點(diǎn)，相當(dāng)于對增材制造做一個(gè)補(bǔ)充，提供一個(gè)新的發(fā)展思路。
這里是我本身做的一個(gè)科研方向的介紹，大概就是激光技術(shù)和激光應(yīng)用技術(shù)兩方面。
今天報(bào)告主要的結(jié)構(gòu)是這樣的：
第一，激光在咱們工業(yè)以及軍事各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
第二，激光在增材制造當(dāng)中的應(yīng)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(dāng)中會有一些應(yīng)用。
首先我們看激光的應(yīng)用，為什么激光能在工業(yè)領(lǐng)域，包括其他很多行業(yè)發(fā)揮越來越重要的作用，就是因?yàn)榧す獗旧淼奶攸c(diǎn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的光源。激光的特點(diǎn)就是高亮點(diǎn)、高方向性、高單色性，這樣一些特點(diǎn)就決定了它能夠發(fā)揮出非常重要的作用。分別對應(yīng)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(shí)域的特性、頻域的特性、空域的特色。
時(shí)域特性和頻域特性，前面的專家都已經(jīng)探討過了。時(shí)域特性，一方面在時(shí)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(shí)間單位之內(nèi)可以有不同的能量輸出，就是對應(yīng)不同的功率，這也是它的時(shí)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(yīng)不同材料的吸收特性，那么就可以相應(yīng)匹配上開展加工制造的應(yīng)用。
所以，我這個(gè)報(bào)告里面主要介紹的是空域的特性，或者我們在應(yīng)用當(dāng)中接觸得不是特別多。實(shí)際上剛才周老師已經(jīng)點(diǎn)到了，周老師在研究的環(huán)狀光束在激光當(dāng)中增材制造的應(yīng)用，實(shí)際上這兩個(gè)光束也都可以認(rèn)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(gè)方面的應(yīng)用，這是簡單的舉個(gè)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(gè)二維的結(jié)構(gòu)，然后從二維不斷到三維的過程。實(shí)際上這個(gè)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?yàn)楫吘刮覀冊诖蛴〉倪^程當(dāng)中都是二維的，打完二維之后再向上成為一個(gè)三維的。所以后面探討的可能應(yīng)用呢，新型的光束在增材制造當(dāng)中的應(yīng)用就是更標(biāo)準(zhǔn)的，就是我們在做的過程當(dāng)中直接三維成型。在z軸不同的位置上，它的打印時(shí)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(jīng)非常了解了，都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。那么還有兩種，一個(gè)是立體光固化。這個(gè)立體光固化后面就是新型的模式可能會應(yīng)用的方向，就是和具有透光特性的數(shù)字材料的相互作用成型激光的空間結(jié)構(gòu)。
這些在航天的領(lǐng)域，還有生物醫(yī)療的領(lǐng)域，產(chǎn)生三維模型都發(fā)揮了重要的作用。下面稍微重點(diǎn)介紹一下我們新型的激光模式，這個(gè)有點(diǎn)像激光原理的介紹，我們這個(gè)激光到底是怎么產(chǎn)生的呢。首先我們要有一個(gè)激光增益介質(zhì)，棒狀的，板條的，或者是光纖，它們都是激光的增益介質(zhì)。我們給這個(gè)增益介質(zhì)進(jìn)行泵浦以后，它就會吸收能量，吸收能量后續(xù)進(jìn)行釋放，釋放的過程當(dāng)中，由于原子內(nèi)部能級機(jī)構(gòu)的改變就會釋放出不同的光子來。但是在增益介質(zhì)當(dāng)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(chǎn)生激光呢？我們就要在增益介質(zhì)外面去加一個(gè)諧振槍，實(shí)際上是兩個(gè)腔鏡，它對特定的波長具有高反的特性，那么這個(gè)激光就可以在諧振槍內(nèi)進(jìn)行多次往返的振蕩，從而實(shí)現(xiàn)受激光放大和輸出。那么在激光諧振腔內(nèi)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(gè)小圖。左邊那個(gè)00、10、01星和01，這些就表明了激光在諧振腔內(nèi)的橫截面上的光強(qiáng)分布形式，它門是XY平面上的光強(qiáng)分布。那么像右邊像正旋波一樣的曲線，實(shí)際上在諧振腔內(nèi)激光場本身振蕩的一個(gè)周期都是一個(gè)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(gè)叫做激光的縱模，因?yàn)樗茄刂惠S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(bào)道的，在諧振腔內(nèi)加入了一個(gè)J玻片，一束倍頻產(chǎn)生的綠光通過它以后變成了渦旋的光束。在諧振腔內(nèi)加入一些對激光進(jìn)行調(diào)控的光學(xué)元件，就會產(chǎn)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(shù)的設(shè)計(jì)，還有泵浦參數(shù)的設(shè)計(jì)，都可以產(chǎn)生不同的激光模式。
我們來看一下經(jīng)典的激光模式，就是左邊的這些圖，最左邊這三個(gè)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(shí)際上是兩種不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式解得的節(jié)能槍的模式，它們分別對應(yīng)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(gè)分別是拉蓋爾高斯光束的正弦分量和余弦分量，實(shí)際上我們在現(xiàn)在的激光加工，還有增材制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的就是上面這一排的，它們其實(shí)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(qiáng)分布，很多激光加工探討當(dāng)中也是高速分布或者是平頂分布在加速過程當(dāng)中的優(yōu)劣。
然后我們來看實(shí)際上激光橫模可以具有的分布形式是非常多的，這幅圖給出的，這些都是別人報(bào)道出來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都是從諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的。那我們看厄密高斯光束有不同的階數(shù)，拉蓋爾高斯光束下面也是有不同的階數(shù)，然后還有不同的環(huán)數(shù)，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(shí)際上在我的介紹當(dāng)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(rèn)為是新型的激光模式。為什么？因?yàn)槲覀儌鹘y(tǒng)的激光器應(yīng)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(jié)構(gòu)。當(dāng)我們?nèi)タ紤]二維空間結(jié)構(gòu)的話，我們就會發(fā)現(xiàn)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(gè)模式之外，還會有更為復(fù)雜激光的模式，它實(shí)際上就是不同的厄密高斯光束、拉蓋爾高斯光束復(fù)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(shù)呢，實(shí)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(shù)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生更多新穎的模式。
實(shí)際上左邊之前有一些報(bào)道，但是右邊這個(gè)圖是我們最新的成果，是之前都沒有相關(guān)報(bào)道的。像中間圖C的，大家可以看到這個(gè)模式分布，像010，像北京的區(qū)號一樣，它可以產(chǎn)成很多新奇的樣式，它是一個(gè)非同階模式疊加的結(jié)果。我們從原理上、實(shí)驗(yàn)上都驗(yàn)證了非同階的激光模式，它也是可以相干疊加的，同時(shí)疊加的結(jié)果就會產(chǎn)生非常豐富的激光模式花樣。
再來看還有更復(fù)雜的模式，這幅圖有點(diǎn)像蝴蝶一樣的這種模式，也是我們首次發(fā)現(xiàn)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(diào)整激光腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更加可控的、連續(xù)模式的變化?？梢暂敵鱿裼疫呥@個(gè)圖這么復(fù)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(fù)雜的狀態(tài)類似于幾何結(jié)構(gòu)，去把它呈現(xiàn)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(gè)頻率，它沒有轉(zhuǎn)換到其他的頻率上去。如果我們?nèi)タ紤]非線性效應(yīng)的話，就是做一些這種頻率的變換。那么這個(gè)激光模式就會呈現(xiàn)出一種空間的變化，那么隨著傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，它在XY平面內(nèi)的光強(qiáng)分布就會發(fā)生連續(xù)的變化。
像我們這幅圖給出來，實(shí)際上右上角這幅圖非常直觀，這是中間非常接近于小圓點(diǎn)的狀態(tài)逐漸向外發(fā)散，發(fā)散的過程當(dāng)中，三個(gè)光斑也在逐漸的擴(kuò)大，擴(kuò)大的過程當(dāng)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(dāng)中，可能會產(chǎn)生應(yīng)用的一些前景，其實(shí)也是有一些報(bào)道已經(jīng)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(lǐng)域發(fā)的一個(gè)封面文章。通過立體光固化的方式產(chǎn)生了類似于仙人掌表面刺的微納結(jié)構(gòu)，做出微納結(jié)構(gòu)就可以模擬疏水的特性，這些微納結(jié)構(gòu)在仿生材料領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值。但是我們仔細(xì)來看的話，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是分層的。我們在3D打印的過程當(dāng)中是每一層在向上長，下面的面積會大一點(diǎn)，那么向上長的過程當(dāng)中，它會逐漸減小。減小的過程當(dāng)中，就形成了這種臺階。這個(gè)臺階實(shí)際上和我們真實(shí)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(chǎn)生這個(gè)結(jié)構(gòu)呢。這個(gè)光束在曝光的介質(zhì)當(dāng)中，傳輸?shù)倪^程當(dāng)中就可以把它固化，這個(gè)過程當(dāng)中就直接形成了3D結(jié)構(gòu)生成，因?yàn)楣馐鴤鞑ナ欠浅？斓摹Ｋ?，在轉(zhuǎn)瞬之間可以把三維結(jié)構(gòu)相當(dāng)于同時(shí)于產(chǎn)生。
我們左邊給的這幅圖是上個(gè)月剛剛發(fā)表的一篇論文，在頂級光學(xué)期刊的一個(gè)封面文章，它產(chǎn)生的就是螺旋傳輸?shù)墓馐Ｄ敲催@個(gè)光束實(shí)際上和我們這個(gè)有一些近似的，我們只是做一個(gè)表征，并不代表它絕對可以有這個(gè)對應(yīng)。但是我們是可以與嘗試類似的工作。那么真正去做這個(gè)工作是在2012年有一篇開創(chuàng)性的文章，發(fā)表在科學(xué)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(gè)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(fù)雜的光場分布。中間和球面波干涉以后，會有一個(gè)螺旋的光強(qiáng)分布，那么這個(gè)螺旋的光強(qiáng)分布再照射到光固化的材料上面，就可以產(chǎn)生出這樣一個(gè)錐狀的結(jié)構(gòu)。這個(gè)錐狀的結(jié)構(gòu)近看的話，還是有一個(gè)螺旋在里面的，也就是說實(shí)際上這個(gè)材料已經(jīng)把我們這個(gè)光的空間結(jié)構(gòu)記錄了下來，也可以說我們這個(gè)光直接把這個(gè)材料打印成了這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。
這個(gè)工作實(shí)際上是很簡單光的分布情況，但是他們做了第一個(gè)嘗試。那如果我們考慮有更復(fù)雜的光束分布的情況，那么它在進(jìn)一步探索的話，可能會產(chǎn)生更多的結(jié)果，會有更多應(yīng)用的場景。
在這之后就是到2017年了才有繼續(xù)工作的跟進(jìn)，實(shí)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(chǎn)生出了同樣的錐狀微納結(jié)構(gòu)，只不過他們這個(gè)結(jié)構(gòu)更豐富了，他們分析了更多的參數(shù)和更多的情況，產(chǎn)生了不同的結(jié)果。
接著另一個(gè)工作也是在2017年，這個(gè)工作是把兩個(gè)三階不同手性的螺旋光束進(jìn)行干涉，同時(shí)還再干涉一個(gè)平面波。那么干涉完光強(qiáng)分布的情況，剛才也是舉例子了，逐漸向外擴(kuò)散，擴(kuò)散出三個(gè)瓣?duì)畹慕Y(jié)構(gòu)。他們也把這個(gè)光強(qiáng)和增材制造結(jié)合起來，和3D打印結(jié)合起來，直接就形成了類似于螺旋槳的結(jié)構(gòu)。大家看最右下面的這幅圖，就是類似于螺旋槳的樣式。實(shí)際上也是把激光空間的分布情況，進(jìn)行了呈現(xiàn)。
后續(xù)這三個(gè)工作是目前調(diào)研到的，用新型的激光光束或者是空間結(jié)構(gòu)光束和3D打印結(jié)合的一些工作，其實(shí)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(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，我們介紹了一下近年來我們這個(gè)課題組，或者是其他的課題組在新型激光模式的成果，同時(shí)也介紹了可能的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上就是會有非?？斓乃俣?，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(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然也是有一些問題需要解決的，就是空間的結(jié)構(gòu)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。
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