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高端访谈

专访激光纳米制造先驱者陆永枫

激光制造网 来源:Light2021-01-21 我要评论(0 )   

编者按本期Light人物采访,我们邀请到了曾获得世界激光领域最重要的奖项——肖洛奖的陆永枫教授。众所周知,肖洛奖主要奖励在激光基础研究和激光技术工业应用上取得重大...

编者按:
本期人物采访,我们邀请到了曾获得世界激光领域最重要的奖项——肖洛奖的陆永枫教授。众所周知,肖洛奖主要奖励在激光基础研究和激光技术工业应用上取得重大成就的杰出人士,陆教授作为激光纳米制造领域的先驱者,探索出“自上而下”的纳米结构生长工艺,为纳米制造技术提供了新的思路。
本期采访中,陆教授将分享自己对激光技术现状与未来、激光可控化学反应等的看法以及在学生培养和子女教育方面的成功经验。


陆永枫教授,1984获清华大学学士学位,1988年和1991年分别获日本大阪大学硕士和博士学位,1991年至2002年任教于新加坡国立大学,2002年加入美国内布拉斯加林肯大学,现担任美国内布拉斯加大学Lott主席教授。
美国光学学会(OSA)、国际光学工程学会(SPIE)和美国激光学会(LIA)三会会士(Fellow),曾任美国激光协会首任华人主席,国际激光材料处理、激光光谱检测、纳米制造加工技术方面最知名的教授之一。在顶级学术期刊共发表500余篇学术文章(总引用量:17717,H影响因子:61),曾荣获多项国家和国际奖项,包括新加坡国家科技奖(当年唯一获奖人),德国国际激光奖(2000年),美国激光协会2016年度肖洛奖(激光领域最高奖项之一)等。国际期刊《极端制造》国际主编,美国《激光应用杂志》主编,《Light:Science & Applications》专题编委等。


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记者:作为全球著名的激光和激光应用科学家,请您谈一下对激光技术的现状和未来发展的理解。
陆永枫:非常感谢Light人物平台给我这个机会,让我向大家汇报一下我在激光技术与激光应用方面从事的研究工作。下面我简要谈一谈我对激光技术的现状和未来发展的理解与看法。
激光技术在过去20年里发展突飞猛进,特别是在脉宽、功率,脉冲频率,脉冲能量以及波长范围方面都获得了突破性的发展。作为学术界个人最高荣誉同时也是威信最高的国际性大奖——诺贝尔物理奖、化学奖、生理学或医学奖均与激光科学和技术有着密不可分的联系,所以激光的应用与我们的生活息息相关。
我的研究方向集中在激光应用这方面,包括激光材料的合成、激光微纳加工、激光光谱以及成像。短脉冲激光器的涌现(飞秒激光器日趋成熟,并在商业领域大量应用;阿秒激光器的研究也取得了较大进步),为激光应用提供了很多机会。受激光技术以及其他条件的限制,传统激光加工主要以热加工为主。利用短脉冲进行激光加工,是激光材料加工技术上的一个革命性突破。在短时间内通过库伦爆炸将加工材料中的电子去除,使加工材料不受热的影响,实现损伤程度非常小甚至完全无损伤的激光加工。相比热加工而言,最新的激光加工技术具有方向性、时间以及空间可控性的优势。
光纤激光器的出现是激光加工的另一个革命性发展。近年来,光纤激光器的发展迅猛。从几毫瓦到几万瓦,这样大范围的激光器输出功率已经能够通过商业光纤激光器实现。相比传统分离元件的激光器,光纤激光器的优势在于功率大,电光转换效率高,稳定性高,使用方便,即便在长期未维护的状态下,依然能够运行稳定。其次,由于光纤激光器没有光学表面暴露在外部环境中,所以即使处于有粉尘、潮湿、噪音的工业环境中,依然能够稳定地工作。这些优势使它能够在工业领域被广泛应用。
激光器为现代科研和工业的发展提供了有力支撑,正如电子行业、信息行业一样,在现代工业社会发挥着越来越重要的作用。
对于激光技术未来的发展,我有以下几点想法。
希望在波长的可调谐性和可控性方面取得更大的发展。在可调谐性方面,希望激光器能够在很大的波长范围内实现连续可调。虽然目前还处于初步探索阶段,我们已经展开利用波长可调谐激光器实现分子的振动、电子共振激发而控制材料合成和加工方面的研究工作。例如,我们可以利用二氧化碳激光器的可调谐波长实现分子振动。由于二氧化碳激光器只有4个输出波段,所以现在能够控制的分子种类和振动模式非常有限。我们的研究目标是实现更多分子的共振激发,因此需要远红外区域更大范围的波长可调性。另一方面,我们希望在可见光或者紫外光的范围得到更多的波长可调谐范围,实现对分子和某些固体表面的可控性电子激发。
希望光纤激光器实现智能化和可编程化。现在,光纤激光器的可控性越来越好,我们可以控制其脉宽、功率甚至频率。如果光纤激光器能够实现智能化,那么同一台激光设备便能够实现多用途应用,比如同一台激光器同时可以用于激光焊接、打孔和切割等。最终它能够和机器人,人工视觉,人工智能结合,实现自动编程而应用于各种加工工艺中。
希望激光应用能够发展成一个像电子,计算机,汽车行业这样的大工业领域。这些行业在初期的发展与激光器行业相似。比如,都是依靠各个厂家的服务,设备硬件以及软件控制之间无互换性等等。但是近年来汽车工业以及计算机工业的标准化发展日益完备,很多硬件和软件设备已经实现了互换。因此,希望未来激光器行业的发展能够实现标准化、模块化(即通过模块化进行替换)以及分工化。即使激光器出现故障,也能够通过替换的模块进行快速修复,极大地提高激光应用的范围、成本和效率,最终使其在现代工业上得到大范围的推广和使用。


激光三维纳米打印实验室(右面两位是已经毕业的蒋立佳同学和刘莹同学)


2
记者:您和您的团队长期专注于分子可控激发在材料生长中的应用,2018年您在Light上发表的论文[]中报道了紫外激光辐照能够有效的抑制非sp3碳并有效促进金刚石的生长。您认为当前限制激光可控化学反应的主要优势和瓶颈在哪里?
陆永枫:我们知道激光有三大特性:空间性、时间性和波长(能量)特性。空间性指的是通过光学来控制激光光斑的大小或者位置,实现二维或三维加工。时间性指的是用飞秒激光器或者其他脉冲激光器对材料进行冷或热加工。波长(能量)特性相较于前两者在材料加工中使用较少。因此,我们希望研究利用波长可调节的远红外激光器实现分子振动能级的可控激发,以达到控制材料生长的目标。
在化学反应中,所有的反应过程一般由温度控制。由于反应过程中物质的活性不同,导致得不到最佳反应结果。例如:在生长氮化镓的过程中,氮源一般使用氨气,其性质比较稳定,只有在高温下才能分解。但是它的镓源即使在比较低温的情况下依然能够分解。如此一来,在生长氮化镓时,我们便面临两大难题。第一,如果温度过高,会引起基板的热应力损伤和沉积效果的限制。第二,由于氮源和镓源反应分解温度和效率不同,所以很难得到化学平衡的氮化镓材料。通常情况下,氮化镓里缺氮的情况比较多,这样会导致材料特性下降。为了有效解决这些问题,我们将二氧化碳激光器调到特别的波长,与氨气分子实现振动共振,以便在温度较低的情况下,得到更多的氮原子,从而达到降低生长温度、增长生长速度以及达到化学配比均衡的目的。
2018年我们在Light上发表论文,向大家介绍了我们的一项研究工作:利用紫外激光器抑制非sp3碳,以便得到生长质量更高、速度更快的金刚石生长过程。
最近,我们将在Science Advances上发表一篇文章,向大家介绍如何利用激光共振得到硼掺杂金刚石。这样一来就解决了硼掺杂金刚石加工费用高的问题,也为其进行大规模工业化应用提供了步骤方法。
虽然现在激光器波长可调谐光源有限,限制了可控化学反应的范围,但是我们已经开始使用激光可控激发分子的震动模式或者电子跃迁过程,将化学反应从平衡态控制到非平衡态,以便达到使反应的种类、效率和质量得到提高的目的。


陆永枫教授(图左)和一名法国同学讨论金刚石生长的问题


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记者:您是全球知名的激光微纳制造专家。您在2012年Light创刊时发表的论文[]中报道了利用多光子加减法混合进行纳米尺度结构制造的工作。这对于拓展多光子刻蚀的广泛应用有着重要的启发和推进作用,您认为当前多光子刻蚀技术的主要优势和所面临的挑战是什么?多光子刻蚀技术的未来发展方向在哪里?
陆永枫:多光子聚合的三维加工技术具有很多优势。首先,体现在便利性方面,它对于实验室的要求很低。其次,与光刻或者电子束刻蚀相比,它的灵活性更高,成本更低,操作性更好。但是,它也面临诸多挑战,比如它主要被应用在科研领域,在商业应用方面还比较困难。
产生这一问题的原因主要包括以下几点:第一,使用材料有限。由于材料的选择只限于高分子材料,所以不可避免会遇到高分子材料本身的限制——微纳米结构硬度不够,易引起加工结构的收缩与变形。第二,物理性能单调,不能导电和导热,受限多。第三,加工速度慢,效率低,无法用于大规模生产。
为了解决上述问题,我们做了一些工作,包括:在速度提升方面。在光刻胶中掺入硫醇,通过硫醇的化学反应,实现10倍~100倍加工速度的提升以及加工结构的机械硬度,减少收缩和变形;在硬度和导电导热性方面。在光刻胶中掺入碳纳米管或银的纳米线,从而实现加工结构硬度以及导电导热性的提升。
我认为实现多光子刻蚀技术的应用是其未来主要的发展方向。在应用方面,我的研究组作了三方面的尝试工作。
我们实验室是最先将双光子聚合用于激光惯性约束核聚变方面靶腔的加工。随着激光惯性约束核聚变研究的进一步深入,现在靶腔的设计越来越复杂。毫米级大小的靶腔却需要纳米级的精度,诸多微纳结构需要进行精密加工。在加工非常复杂的高精度的且符合激光惯性约束核聚变要求的靶腔研制方面,我们已经取得了一些实用性的进展。
在应用领域方面,我们发现在再生医疗领域像视网膜等这样特定的架构能够通过双光子聚合进行加工。因此,未来还有更多应用领域需要我们去探索。
在加工速度和加工材料的多样性方面。我们认为还需要很大的提升空间,比如多光速加工,并行投影加工等等。


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记者:自从2011年您应邀参加长春光机所以Light创刊为契机发起的Light Conference的前身——激光加工前沿国际会议以来,您与Light就结下不解之缘,您多次获得Light评选出的年度优秀编委,优秀审稿人,优秀作者等奖项,可以说Light的成功跟许多像您这样的国际知名专家的大力支持是分不开的,可以谈谈您作为Light主题编委的体会么?
陆永枫:非常荣幸受邀参加长春光机所举办的激光加工前沿国际会议,并见证了国际级顶尖光学期刊Light诞生和发展的过程。
Light自2012年创刊起,在短短几年内,便成为国际光学界的重量级期刊。在它取得如此辉煌的成绩时,我也在思考究竟是什么原因造就了Light的成功。
我认为Light的成功与自身的发展战略以及编辑部老师的辛勤付出有着密不可分的关系。
首先,Light以服务作者、服务读者作为自身的出发点和落脚点。Light期刊从创刊起将自身定位为服务人员,而非管理者,或者说号召者。能够切实做到在每个小细节上为专家们考虑,所有的落脚点都是希望将更出色、更优秀的作品呈现在读者眼前。
其次,Light编辑部的工作者发挥了重要作用。所有人都是心往一处想,劲往一处使。编辑部的同事不仅专业能力突出,而且能够不遗余力地提高服务质量,提高编辑质量,不忽视、轻视每一个细节,时刻警惕千里之堤溃于蚁穴的风险。
作为Light的编委,很感谢长春光机所为光学领域的优秀人才提供一个良好的国际交流平台,也非常荣幸能够参与Light的创立,希望今后能够在更多的平台、更多的场合与全世界的光学专家讨论交流。


2018年曹健林副部长为陆永枫教授(图右)颁发编委证书


5
记者:您是美国激光学会(Laser Institute of America,LIA)第一位华人主席,同时您也致力于和国内学者开展国际合作,在扩大华人学者在国际同行中的影响力方面起了很大的推动作用, 您能谈谈您做这些工作的初衷么?
陆永枫:毫无疑问,中国有非常多优秀的科研人员,但是很多的华人学者参加各种学会、协会的社会活动相对较少。我的初衷是为这些华人学者,特别是国内的同行提供一个能够与世界其他国家同行进行交流与合作的平台。
一方面,希望借助美国激光学会的平台,让国内的很多科研成果得到充分的推广。让我们的工作在国际上引起关注,得到国际同行的认可。
另一方面,希望国内与国际的科研工作者通过美国激光学会这个平台充分交流,进行更多的国际合作,取得更多的国际化优秀成果。
在这里,我也想向国内同行表示感谢,感谢他们在学术以及组织方面对美国激光学会作出的诸多贡献,让协会被更多国内同行知晓,更多的人能够参与其中。


在2015度肖洛奖颁奖仪式上,美国激光学会主席陆永枫教授(图左)为杜可明博士(图右)颁奖

6
记者:
您特别注重支持同行的工作,这一点我本人就深有体会,比方说由我们参与合建的激光与物质相互作用国家重点实验室发起和主办的激光与物质相互作用国际会议,自从请您担任大会共主席后,邀请了许多激光加工领域的国际顶尖科学家进行交流。您能聊聊为什么愿意这样尽心尽力支持他人么?
陆永枫:赠人玫瑰,手留余香。支持同行的工作对我自身的发展也是大有裨益。
国际会议为我们提供学术交流的平台。很多同行平时见面机会少,交流时间短,只能通过邮件或电话联系。通过会议这种平台,大家能够了解、学习国际最近的工作成果。此外,大家能够深入交流、讨论,得到工作上新的启发。
我们这个行业与其他行业相比,不算很大,而且国内外的同行们都非常热情,待人亲切,所以交流起来毫无障碍。大家在彼此的交流中,都在相互促进。
非常感谢长春光机所领导们对我的信任,给了我一个为同行们提供服务的机会。


陆永枫教授参加第十四届全国激光技术与光电子学学术会议并作学术报告


7
记者:
我在美国访问您实验室的时候认识了许多来自国内的青年学者,他们有的已经通过引才计划回国工作,不仅产出了很好的学术成果,还深受同事和学生们的喜爱,他们的成功与您的倾心培养是密不可分的,请您谈一下对年轻科学家的建议。
陆永枫:我们实验室非常有幸汇集了来自各国的包括攻读博士、博士后、短期访问、交流的优秀青年学者。他们不论在学术上还是为人上都表现得十分出色,活跃于世界各国。作为一名教师,能够培养出学术水平造诣高、思想品德素质好的学生是我毕生所求。
对于我来说,我非常喜欢与年轻人一起工作,因为它让我永葆青春与活力,让我的心态永远保持年轻。对于年轻科学家,我想给几点小建议。
首先,保持开放的心态。受客观环境的限制,每个人所接触的人与事物都是有限的。需要我们时刻保持开放的心态,虚心向别人请教,学习他人优秀的思想,不断弥补不足,取得进步。
其次,通过学习基础知识不断提高原创性。创新是一名科研工作者的基本素质和追求目标。原创性的工作会使得他们表现出自身的唯一性,系统性和普遍性。
最后,千里之行,始于足下。实践出真知,所有的想法必须付诸于实践。从小事做起,细心、谨慎、认真会帮助我们早日实现目标。

2018年王卉访问内布拉斯加大学陆永枫教授实验室时,与陆永枫教授和副校长Steve Goddard的合影


报道碳纳米管方面工作的新闻图片 陆永枫(右一)(其他人从左侧开始依次为:周云申,熊伟,高阳,解志强,钱敏,近年来他们在学术界和工业界均作出出色贡献)


8
记者:
您不仅是一名出色的导师,也是一位好父亲。您的女儿毕业于普林斯顿大学,目前在华尔街工作。能分享一下您教育子女的经验么?
陆永枫:我想为人父母,最希望看到的是孩子健康、快乐地成长。我一直对我的孩子说要选择自己擅长做的事,做自己喜欢的事,唯有如此,才能让自己的人生不留遗憾。此外,我希望孩子能够学会感恩,学会尊重他人。
相比传授知识而言,我认为从小培养孩子正确的人生观和世界观尤为重要。要学会帮助他人、尊重他人。常怀一颗感恩的心,以真诚对待世界,世界也会对您回以莫大的善意。人与人之间智商、能力的差异固然存在,但是一个人的内在修养德行与品质却能够让他熠熠生辉。
在这里我想和大家分享一下国内外两种教育方式的差异。
首先,国外非常重视孩子的自立。从小培养孩子的独立自主的精神,自力更生。不论家庭环境如何,孩子长大后要到社会上打工实践,了解社会,挖掘自己擅长并喜欢的事情,这一点我认为非常好。
其次,带孩子是一项非常有技术含量的工作,因为您不仅仅需要带孩子,更需要培养孩子。我注意到,在美国设有专业机构和人士,负责帮助辅导父母来教育孩子。目前我们国内大家还是主要在微信群里互相拼经验或者凭感觉解决问题。未来希望国内能够设有这种高水平的专业机构,来帮助父母。
最后,想跟大家分享自己作为父母的一个心得体会,就是一定要与孩子多交流,多沟通。不要把自己的想法强加在孩子身上,孩子是一个独立的个人,他有自己的思想和认知,我们能做的就是从孩子的角度去理解他,并在他们遇到困惑时给予经验指导。令我感到欣慰的是,我的两个孩子上大学时都选择了与我相同的专业。


陆永枫教授与女儿合影(2000年11月摄于德国Ditzingen,Libinger奖的颁奖仪式后)

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