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闯入中国工业用飞秒激光器“无人区”——访华日激光总工程师刘振林

来源:华工科技微视界

关键词:刘振林 华日激光 飞秒激光器

2017-08-12

近日,华日激光承担的国家十三五重大研发专项《工业级皮秒/飞秒激光器关键技术研究及产业化》项目在年度评估会上获评优秀评审项目,其中,飞秒激光器研发取得阶段性新进展。

从彼岸到此岸 做中国自己的工业用飞秒激光器

脉宽短、单脉冲能量大、重复频率高将是未来超快激光技术的主要发展方向。而长期以来,由于核心技术被国外企业垄断,工业用飞秒激光器一直依赖进口,国内仅有少数实验室用飞秒激光器,据华日激光市场部同事介绍,国外能做到批量制造飞秒激光器的制造商也是凤毛麟角,被国外少数制造商垄断的后果是国内应用商往往需要花费近300万元高额引进,同时带来的还有高昂的维护成本及漫长的维护周期。

同时,伴随3C电子等行业快速发展,带来透明或者半透明材料激光加工的巨大市场需求,单就OLED来说,根据 IHS 研究机构预测,2017年全球 OLED 市场规模将迅增至 192 亿美元,到 2019 年全球 42%的智能手机将搭载 OLED 面板,2020 年智能手机的 OLED 面板营收将增长至 248 亿美元,相关的 OLED激光加工设备需求将随之快速提高。面对国内越来越多、越来越高的精密微细加工需求,飞秒激光器国产化迫在眉睫。

“在国外生活了20多年,专业从事飞秒激光器的研发和生产,工作都是在国际上知名的科研所和高科技公司里,专业知识得到了扎实的积累,需要一个更大的舞台去施展,而中国正是激光器应用的主战场,在这里,广阔天地,大有可为。” 华日激光飞秒产品线总监刘振林博士介绍说,“国家为了科技兴国,通过‘千人计划’积极招收活跃在海外的高科技人才,华工科技聚焦智能制造,十分重视激光先进装备制造的核心——激光器自主研发的工业化应用,整体实力也十分亮眼,在与华工科技方接触交流十几分钟后,我就做出了这样的决定。”

天时地利人和促成了这个貌似仓促实际深思熟虑的决定。早在2014年底,刘博士应邀回国、回湖北武汉看看,当时的他已惊异于国内激光产业的发展速度,2016年7月回国后,当了解到华日激光产品诸如纳秒紫外固体激光器飞速发展,从实验室里的“阳春白雪”飞入“寻常百姓家”时,各行各业的广泛工业化应用极大地触动了这位科学家的“事业心”。

“飞秒激光器国产化,至少可以将国内应用商的使用成本降低30%-40%,而且促进提升国内精密微加工的制造水平。”刘博士进一步解释道,“比如国内之前有些行业、有些加工囿于飞秒激光器的昂贵费用,而采用纳秒激光器等精细度不够的激光器,加工效果可能就不够完美,加工水平也不高。”

飞秒激光器研发实验室设备、团队成员历经3个月陆续配备到位,这个不足10人的研发团队在刘博士的指导下,很快地交出了满意答卷——2017年初,工业用飞秒激光器种子源亮相2017年上海慕尼黑光博会,并引发轰动效应。在当时举办的新品发布会上,华日激光展出了飞秒激光器种子源,这个砖块大小的产品实际上是飞秒激光器的核心部件,飞秒激光器通过种子源反复放大、出光。工业用的飞秒激光器种子源一经展出,吸引了激光加工专业委员会主任王又良等等专业人士的注意力,“其实就是很多名校或者研究所的研究员也都过来围观。”说起当时的盛况,刘博士寥寥数语显得云淡风轻。


目前,刘博士团队已经完成了10W飞秒激光器的原理样机,预计年底推出40W飞秒激光器。事实上,“酒香不怕巷子深”,在华日激光还未将飞秒激光器正式推出市场前,就已经有多家企业找上门来,希望该团队为他们个性设计研发2W/5W飞秒激光器,“在不影响十三五项目推进进度的前提下,我们会权衡考虑做不做这个。”刘博士如是说。

从匠心到匠艺 做有态度的“匠人”

当前,各种激光器已经被广泛应用于工业加工和医疗领域,而飞秒超快激光能在极短的时间、极小的空间尺度、极端的物理条件下对物质进行加工,其作为高端微纳加工和生命科学领域的理想光源,正逐渐引发市场的高度关注。

像目前应用比较多的生物医学领域,作为超精密外科手术刀,飞秒激光瞬时功率极高,刘博士给出了具象的说法:“飞秒超快激光器单纯论峰值功率来讲,它相当于三峡大坝的总装机容量。”它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,用于视力矫正手术,也可用于无痛牙科治疗,一眨眼功夫完成的治疗可以避免因温度变化引起的神经痛感。

虽然刘博士已经有飞秒光纤激光器研发的13年经验积淀,然而,飞秒激光器的研发并非一条容易的坦途。“飞秒光纤激光器与其他激光器的设计还是不同的,要得到好的脉冲形状图往往需要打破常规思维。”刘博士总结道,“阅读文献,对实验结果保持敏感性,对数据结果观察、总结,这个过程中逻辑分析能力同样很重要。”为了一个很好的脉冲形状图,刘博士曾经每天坚持做实验,历经1年多的失败尝试,终于得到一个好的产品设计。


解放思想,不仅要打破常规思维,还要善于接纳新思维、新思想、新方法。“我觉得个人的一个长处就是跟任何人交流,只要觉得有用的信息,都能从中受益。”刘博士分享了这样一个事例,在设计飞秒激光器的环节中,关于机械设计,他只提了相关要求,当负责机械设计的工程师提交的设计稿比他此前在国外工作时了解到的机械设计要更优时,他果断采用了这位年轻机械工程师的机械设计。

 “我是应届毕业生,在做实验时,有时候功率猛地加多了,超大的能量很可能把设备打坏,这时,刘博士会温和地告诫我们,功率要一级一级慢慢加,做研发,从想法到落地执行,要不急不躁,严格按照专业化的流程脚踏实地推进。” 刘博士团队一位光学设计工程师说,“他是包容心很强的人,敢于放手让我们自己做设计、试验,允许我们在试错过程中不断成长,很注重培养我们独当一面的能力。”



刘博士团队中一位电源设计工程师介绍说,“刘博士主攻光学设计,但是对于电路控制设计的参数、细节一样考虑很全面,一些我没有注意到的细节,刘博士注意到都会提醒我设计的时候格外留意。这是一种专业化的研发态度,作为技术人员,我想我会受益终生。”

对于团队成员的评价,刘博士有自己的一套原则,“作为研发人员,发现问题解决问题是首要的,思虑全面、注重细节也是必要的,这些都没什么,我每天上班前,我就会把一天要完成的工作想好,然后按照项目时间节点推进。”刘博士笑着补充道,“个人认为研发人员因为项目节点偶尔延时下班,是不需要申请加班的,因为技术人员是跟着项目节点上下班,而不是像普通职能人员那样按点上班。不过,不知道这符不符合国内的《劳动法》……”

从实验室到市场 飞秒激光器市场化之路任重道远

正如之前马董事长在前不久与华日激光三位博士的座谈中提到的,飞秒激光器已经成为消费电子、OLED、动力电池等朝阳产业的加工利器,谁掌握了激光器核心技术,谁就拥有了高端精细微加工的话语权,谁就拥有持续快速发展的未来。华日激光只有完成了纳秒、皮秒、飞秒系列超快激光器的研发,才能更有底气地在国际市场亮剑、出击。但是,飞秒激光器从实验室到市场,还有一大段路要走。

飞秒激光器这样的高端超快激光器,囿于实验室设备、人员素质等多方面因素,国外能做到批量制造的凤毛麟角,华日激光接下来的批量制造之路困难重重。“最重要的是人员素质,我比较担心大家总想找捷径,当然,这个想法不是凭空冒出来的,源于一次采购经历,当时我们给供应商的设计图纸将相应零部件的尺寸、颜色都明确标出,事实上,他们做出来的东西是南辕北辙。”刘博士摊手苦笑道,“‘存在即真理’,产品设计的每一步都是经过试验反复论证的,做产品来不得半点小聪明。”

2016年毕业后就进入刘博士团队负责光学设计的工程师对于这一点深有体会,“从刘博士身上学到的最重要的除了专业知识,就是做研究的方法、态度——不能偷懒,刘博士要求我们实验中每连一级就要做器件测试,一次实验要测几十次,要是因为最后的实验结果不理想,中途替换一些器件,那么从这个替换的器件开始,后面的所有测试重新来过。”

如果说批量制造需要解决的是内部人员素质问题,那么飞秒超快激光器的市场化推广之路要改变的就是外部的“刻板印象”了。“飞秒超快激光器作为高端产品,本身更有价值,但是国内市场更多的可能关注的是价格,而国外市场因为对中国制造的偏见、刻板印象,推广起来难度可想而知。”刘博士介绍说,“我回国后一个很深的感受是,华日激光的销售人员很多,都在外面跑,很辛苦,而我此前就职的美国公司,销售人员就2个,而且是每天坐在办公室成单,所以说,国内外情况不一样,竞争压力迥异。”


不过,因飞秒激光最重要的特征是加工的组织中没有熔融区,没有重铸层,不产生微裂纹,它避免了热熔化的存在,实现了相对意义上的“冷”加工,大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响,未来将广泛应用于石英、玻璃、晶体、光纤等各种透明材料的加工,而透明材料的焊接是一个在各个行业不可或缺的制造工艺,包括精密机械、医疗、3C电子、半导体面板等。


目前,我国是世界上最大的显示面板与芯片产品消费国;过去8年,作为全国显示面板“巨头”的华星光电与天马,在武汉累计投资达670亿元;2016年底,总投资1600亿元的国家存储器芯片项目在光谷动工;可以想象,第一台工业用飞秒激光器的成功研发及未来的产业化,将带动同在中国光谷布局的“芯片-显示-智能终端”全产业链的发展,有望形成一个万亿级的产业集群,光谷也将由此成为中国乃至全球最密集的电子信息产业基地。

“雄关漫漫真如铁,风物长宜放眼量”,虽然飞秒激光器市场化推广之路任重道远,但是为制造的更高荣耀,为中国制造的正名,为中国质造的扬名,相信刘博士团队及华日激光将以行践言,一往无前。