2微米激光技术 激光产业的中国智造 ——访武汉格雷森实业有限公司 CTO 张珂

仪器仪表用户 2020-04-15 20:48:44

访问嘉宾:武汉格雷森实业有限公司 CTO  张珂

访问人:《仪器仪表用户》杂志编辑部主任  曲国利

时  间:2017年11月27日

地  点:武汉


关于张珂

张珂女士,武汉格雷森实业有限公司 CTO,是中国光电子科技领域的杰出技术专家和企业家,为中国激光产业的技术进步和推广应用做出了重要贡献。她带领团队在高稳定性超快光纤激光器(包括皮秒/飞秒激光器)和中红外可调谐光纤激光器这两个高技术方向进行了探索,研发了2微米宽带可调谐激光器,改良了全波段超快激光器,改良后的激光器具备了高度的可定制化以及非常受欢迎的高性价比,降低了集成商进入超快加工或其他科学应用的壁垒,让超快激光在精密加工和传感探测等领域找到更多的用武之地。

激光技术的发展直接推动了多个学科的技术进步,而2微米波长的激光由于其特殊的性能,在许多领域具有重要应用价值。因此,成为了激光技术中科研人员重点研发的对象。武汉格雷森实业有限公司首席技术官张珂研发出2微米可调谐激光器,在国际上首次将光纤激光器的可调范围扩展到了2微米波段,实现了超快激光在2微米波长方面的技术突破。近日,张珂在接受《仪器仪表用户》杂志编辑部主任曲国利访问时,介绍了2微米激光对多领域技术创新与发展的重要性,以及自己在该技术上所取得的成就。


曲国利:

2微米激光可以说是目前新兴激光技术的重要代表,在相关行业内非常受重视,请问这是什么原因呢?

张珂:

微米激光是指输出中心波长范围处于1904纳米~2040纳米的激光器所发出的激光,因其波长为2微米而得名。由于包括水分子在内的众多原子和分子吸收峰位于2微米这一波段,当2微米激光作用于组织时,可产生汽化、切割、凝固、止血等效果,所以在医疗手术方面可发挥出重要作用。2微米这一波段处于大气的弱吸收带和人眼安全波段,此波段的激光具有安全性好、效率高、光束质量好等优点,可有效地应用于环境监测,测量大气中的二氧化碳、气溶胶浓度,以及云层和水汽分布情况。尤为重要的是,高峰值功率的2微米脉冲激光器可以作为光参量振荡器和光参量放大器的高效泵浦源,用以实现中远红外波段激光的输出,这在激光雷达、光电对抗、激光测距和红外制导技术等方面具有非常重要的应用价值。许多非金属材料对2微米波段的激光具有较高的吸收率。因此,2微米激光能够在没有吸收层的情况下对非金属材料进行加工,不仅消除了对用于制造吸收层的添加剂的需求,而且加工质量也十分优异,这对于工业加工技术的进步有着巨大地推动作用。由此可见,2微米激光的技术应用与发展,可解决多个技术领域的难题,对提高多个领域的技术水平,推动各个学科的发展有着重大意义。


曲国利:

众所周知,激光技术的应用使医疗技术有了非常大的进步,作为先进激光技术的代表,2微米激光器为医疗领域带来了哪些重大变化?

张珂:

2微米激光的研究近年来已经成为科学领域的热门之一,重要原因就是因为其在医疗等领域的应用前景非常广阔。由于2微米波段恰恰处于水分子的吸收峰,输出波长为 2微米的固体激光器,可为激光手术提供最佳波长的激光。激光用于医疗手术已是十分普遍,与其他激光相比,2微米激光的优势更加明显:水分子在2微米附近具有强烈的中红外吸收峰,用这一波段激光进行手术,强大的激光能量可瞬间被水吸收,然后会产生强烈的汽化切割效应,使激光切割能力大大提高,尤其对敏感组织如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀及切割效果更加理想。因此,在实施去除增生组织的手术中可以获得非常好的治疗效果。同时,强吸收能力使2微米激光可以在大部分软组织和硬组织中产生很浅的穿透深度,并具有独特的凝血作用,这使手术中过程视野清晰、出血量少,不需要对患者进行输血。2微米激光手术的工作范围在光纤前端2毫米内,不会对超出范围的组织造成损伤,在组织中的穿透深度非常小,去除增生组织准确,手术切口小,大大限制了损伤区域,提升了手术的安全性,也减少了患者的痛苦,缩短了手术及术后的恢复时间。此外,2微米激光可通过石英光纤进行传播,这就使激光传导的方式更加容易实现,可以在气体和液体环境中进行有效工作,为医生切除软骨和其它硬组织提供精确的途径,使2微米激光成为现有激光中最适宜的光源。

目前,2微米激光技术应用在外科、眼科、牙科等手术当中,由于其在手术中的优势明显,甚至一些医疗整形美容手术也将其引入,大大提高了手术效果。

利用2微米激光技术治疗男性前列腺增生手术可以说是目前最为先进、有效、且具有代表性的方式之一。以往前列腺增生的手术方式主要采用经尿道前列腺电切术,但这一手术过程类似削土豆皮,每刀只能切下一小块增生的组织,组织越大,切除的刀数越多、手术时间越长,同时要不断地电凝止血。切开的创面血管暴露,冲洗液很容易被人体大量吸收,造成水中毒,甚至危及生命。如此一来,手术医生的熟练程度及前列腺的大小决定了手术的安全性及疗效。大多数情况下,医生为了保证手术安全,尽可能缩短手术时间,从而造成手术切除增生不够彻底,术后仍残留腺体等问题的存在,这也成为术后疾病复发的重要原因。此外,手术对周围组织器官损伤较大,术后易发生膀胱痉挛、切口感染、尿失禁和大出血等并发症,患者痛苦较大。

2微米激光治疗系统是治疗前列腺增生激光微创手术的一大技术进展,利用2微米激光技术治疗男性前列腺增生,仅通过一根直径0.3毫米的光纤,在膀胱尿道镜直视下通过患者的尿道到达增生前列腺处,应用高能激光对前列腺组织汽化和切割,不仅切割完全,还具有良好的术中止血功能。手术后留置尿管时间短、术后恢复快、痛苦小、患者几乎可以即刻地改善下尿路症状。该项技术疗效明确、手术风险明显降低,更适合老年、合并有心肺疾病、无法接受全身麻醉和重大手术的患者,从而降低前列腺增生的危害,提高前列腺增生患者的生存质量。


曲国利:

可以看出,2微米激光技术直接解决了许多医疗领域中的难题。那么在工业方面,2微米激光技术的应用情况如何呢?

张珂:

2微米激光在工业加工方面具有其它激光所不具备的优势,随着技术的进步与发展,其应用领域和效果也将不断提升,具有很广阔的发展前景,在更多方面发挥出巨大作用,这也是我们科研人员继续探索的目标。

由于塑料等非金属材料对其它激光的吸收率较低。因此,市场上其它种类的激光光纤打标机在塑料、纤维纸张等非金属材料打标领域一直存在一系列缺陷。由于2微米激光可提高非金属材料的吸收率,所以2微米激光打标机成为了目前效果最好的打标机。该打标机打标精度高、速度快、雕刻深浅随意控制,可适用于多种非金属产品进行打标,标记清晰、不易磨损,雕刻及切割效率高。此外,该技术无耗材、加工成本低廉,同时具有环保、节能等优点,可广泛应用于工艺礼品、家具、皮革、服装、广告标牌、模型制作、食品包装、医药包装、印刷制版等许多领域的加工制作。

目前,在激光焊接工业中,用得最多的激光塑料焊接又叫做激光透射焊接,这要求待焊接的两个零件分别能透过和吸收光线。但当两个零件都是透明材料时,传统方法难以利用这种工作原理进行激光焊接,因为透明材料通常对可见光的吸收率极低,所以造成了只有透过层而缺少了吸收层的情况出现。2微米对几乎所有的未填充聚合物的吸收比其它波段都要明显,通过对激光光束在时间和空间上加以控制,几乎所有的光可透性热塑性聚合物熔化都是可控的,这项新技术消除了通过传输激光焊接技术的主要局限性,不需要在使用激光焊接技术加入聚合物时使用吸收剂。利用聚合物在2微米的本征吸收这一特性,2微米波段的激光能够在没有吸收层的情况下对透明材料进行焊接,不仅消除了对用于制造吸收层的添加剂的需求,还大大提高了加工水平。


曲国利:

环境监测一直是我国环保事业重要的工作内容之一,而2微米激光技术也为我国的环境监测带来了极大的便利,请您介绍下这方面的情况。

张珂:

由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响,使一部分波段的太阳辐射在大气层中的透过率很小,甚至根本无法通过。而2微米激光的电磁波辐射在大气传输中透过率较高,具有很强的烟雾穿透能力和较高的目标反射率等优良性能,可有效利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像,实现遥感中对大气层的探测。同时,由于2微米激光正好处于人眼安全波段,在进行观测时不会对人眼造成伤害。因此,近几年2微米激光成为激光成像雷达、多普勒相干测风雷达、测量地球大气浓度和温度变化的差分吸收雷达的首选光源,被认为是目前最为理想的环境监测方式之一。随着2微米单频光纤激光器的发展,2微米激光技术也在多普勒相干测风雷达中获得了长足的发展,可测量二氧化碳、气溶胶浓度,以及云层和水汽分布。


曲国利:

据了解,您一直在高稳定性超快光纤激光器和中红外可调谐光纤激光器这两个高技术领域进行着研究探索,请问您是如何做到的呢?

张珂:

由于激光工作物质都具有某些特征频率的原因,故而通常情况下一种激光器只能产生一个或者几个固定波长的激光输出,这个特性限制了激光的应用。如今,很多行业希望激光器的输出波长可在一定范围内连续调谐,特别是2微米波长的激光,在多领域具有重要的应用价值。因此,2微米激光的可调谐功能在近年来成为了光电子领域技术研发的重要课题。以往,能产生2微米左右可调谐激光的大多为体积庞大、使用环境严苛、维护成本高昂的固体激光器,与现代各领域技术发展的要求严重不符。因此,需要电光转换效率更高、更加节能环保、更加轻便、体积更小的新型可调谐激光器来满足各方的要求。可由于实现中红外可调谐激光输出受到了泵浦技术、光纤制备以及脉冲生成等技术的限制,因而这也成为国际激光与光电子行业一个公认的阻碍产业发展的技术难题。

不过,我与公司技术团队利用掺铒光纤、非线性晶体光学频率变换技术,以及自行研发的环形谐振腔结构技术,实现了激光波长的宽谱可编程调谐。更为重要的是,我们将光纤激光器的可调范围扩展到了2微米波段,这一成就可以说是开辟了国际2微米可调谐激光的先河。在此基础上,我们开发形成了一系列2微米光纤激光器产品,该系列激光器具有出色的功率、稳定性和非常友好的用户界面,充分利用了全光纤结构紧凑、高稳定性、高环境适应性、免维护、高可靠性等特性,同时拥有可定制的工作波长、衍射极限的光束质量、易于操作的整机界面,即可用于前沿科学研究,又可实现大规模工业集成应用,为各行业提供了先进的技术支持,具有广阔的市场前景,是性价比非常高的技术与产品。

目前,我们已经向市场的推出多款2微米可调谐激光器产品,涉及到塑料加工、医疗手术设备、气体分子检测、光谱学分析、硅光子学研究和器件测试测量等领域的应用,降低了集成商进入超快加工或其他科学应用的壁垒,让激光在精密加工和传感探测等领域找到更多的用武之地,受到了激光系统集成商、科研机构等客户的欢迎。更重要的是,该系统产品的价格非常低廉,只有国外同类产品一半的售价,同时出色的可靠性降低了故障概率,解除了客户返厂维修的后顾之忧,有效降低了客户的应用成本。


曲国利:

由于您在2微米激光技术方面所取得的突破性成就,在业内受到了极高的肯定和赞誉,并获得了多个重要奖项,请您介绍下。

张珂:

由于我在2微米激光技术方面所取得的成果填补了国内甚至是国际相关领域的技术空白,并解决了多个领域的相关技术难题。因此,获得多方认可。与我们合作的企业认为我所研发的产品具有多功能、高可靠性及高性价比等突出优势,并可根据企业自身需要进行高度定制,可以说是从多方面满足了企业对2微米激光技术的要求,为企业提高技术水准,增加行业竞争力提供了最为坚实的基础。同时,许多专业的科研人员认为,我的研发成果破解了目前激光技术存在已久的难点,为其它领域和学科的技术研究提供了必要的技术支持,这对于多个学科的研究来说意义非凡。

近年来,我也因为在激光技术方面所取得的成就获得了行业内的多个奖项,其中包括 2016年度中国光学工程优秀科技成果一等奖、中国光电行业技术创新奖三等奖、中国激光行业突出贡献奖等多个荣誉,这也是对我及整个公司的肯定。我也希望通过我的努力,可以帮助公司提升整体实力,使其成为行业中的佼佼者,为更多的客户提供更先进的激光技术,做好服务,为我国光电子行业的技术发展尽一份绵薄之力。