世界知名激光等离子体物理学家张杰院士荣获“2021未来科学大奖”
9月12日,被誉为“中国诺奖”的2021未来科学大奖在北京揭晓。上海交通大学张杰院士摘得三项大奖之一的“物质科学奖”。奖金为100万美元,以奖励他通过调控激光与物质相互作用产生精确可控的超短脉冲快电子束,并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像和激光核聚变的快点火研究。
张杰,1958年出生于中国山西,1988年在中国科学院物理研究所获得博士学位,此前任上海交通大学校长,目前也是中国科学院物理研究所教授。他是开发利用太瓦到拍瓦激光束有效生成受控、高强度快电子束(~100 keV 到 10 MeV)方法的先驱。利用这一技术,张杰领导的研究团队在快电子束方面取得了一系列重大突破,包括高效产生非热电子、用激光调节电子束能量、实现高定向电子发射,以及创时空分辨世界纪录的电子束成像。
将未来科学大奖颁发给他,是为了奖励他通过调控激光与物质相互作用,产生精确可控的超短脉冲快电子束,并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像,和激光核聚变的快点火研究。张杰教授是世界知名的激光等离子体物理学家,在高能量密度物理和激光聚变物理前沿研究领域做出多项重要学术贡献,并因此于2003年当选中国科学院院士、2007年当选德国国家科学院院士、2008年当选第三世界科学院院士、2011年当选英国皇家工程院外籍院士、2012年当选美国国家科学院外籍院士,2015年获得激光聚变与高能量密度物理研究领域国际最重要的奖项-爱德华·泰勒奖章,他也是世界范围内首位获得该项荣誉的华人科学家。
张杰教授领导的上海交大激光等离子体实验室研究团队,连续三期(九年)获得国家自然科学基金委创新群体资助(2012-2020),长期与美国、英国、日本的重要科研机构开展高水平的国际合作,是国际学术界相关领域最有影响的团队之一。
在过去的30多年的时间里,张杰教授在激光等离子体研究领域培养了100多名博士,他们中的大多数都活跃在激光等离子体研究领域,并在国内外一流大学和科研机构获得了教职和研究岗位。张杰还是全国培养出蔡诗东等离子体物理奖获得者最多的博士生导师之一。
张杰教授主持过多项国家自然科学基金委重大项目,还是两期科技部973项目首席科学家,目前作为首席科学家主持中科院“新型激光聚变方案”先导专项研究。
张杰教授曾先后获中国青年科学家奖(1998)、香港“求是”杰出青年学者奖(1999)、国家自然科学基金委杰出青年学者(1999)、中国科学院优秀百人计划获得者(2002)、中国光学学会王大珩光学奖(2002)、中国物理学会饶毓泰物理奖(2003)、世界华人物理学会“亚洲成就奖”(2004)、何梁何利科技进步奖(2006)、国家自然科学二等奖(2006)、中国科学院杰出科技成就奖(2007)、第三世界科学院TWAS物理奖(2007)、中国科学十大进展(2011)、美国核学会爱德华·泰勒奖章(激光聚变与高能量密度领域国际最高奖项)(2015)、香港求是科技基金会杰出科技成就集体奖(2018)。
2006年-2017年任上海交通大学校长,2017年-2018年任中国科学院副院长。是中国共产党第十七届、十八届中央委员会候补委员,第十三届全国政协常务委员。目前担任中国物理学会理事长、上海交通大学学术委员会主任、致远学院荣誉院长。
他曾任亚太物理学会联合会主席、香港特区高等教育资助委员会(UGC)委员、香港特区科研资助委员会(RGC)委员、新加坡国家研究理事会(NRF)外国专家评审委员、德国洪堡基金会(AvH)外国专家咨询委员会委员。他还是美国国家科学院在物理领域设立的Comstock Prize和美国物理学会在等离子体领域设立的Ronald Davidson等离子体物理奖遴选委员会委员。他是香港城市大学荣誉博士(2008)、英国女王大学荣誉博士(2010)、加拿大蒙特利尔大学荣誉博士(2011)、美国罗切斯特大学荣誉博士(2013)。
未来科学大奖是中国首个世界级民间科学大奖,由未来论坛于2016年创立,下设生命科学奖、物质科学奖、数学与计算机科学奖三个奖项,单项奖金100万美元(约650万元),每个奖项由四位捐赠人共同捐赠。大奖采取提名邀约制和国际同行评议制。在奖项评审过程中,有包括诺奖得主、图灵奖得主、菲尔兹奖得主以及数十位美国、法国、德国等国的科学院、工程院院士,参与了未来科学大奖的提名与评议过程。
未来科学大奖每年在中国北京举办颁奖典礼,对为全人类做出重大科研成果的科学家予以表彰。颁奖典礼同期举行的科学峰会,旨在邀请全球范围内卓有建树的科学家,分享科学发展的前沿成果,探讨学科交叉与学术创新,推进科学主导的产业应用。
综合:澎湃新闻、投资界
发布时间 : 2021-09-13
中科院物理所魏志义研究组在自压缩少周期飞秒激光脉冲的产生研究中取得新进展
少周期飞秒驱动源是产生极紫外波段孤立阿秒脉冲的重要条件,采用常规方案需要经过光谱展宽与脉冲压缩两个过程,不仅效率低,而且压缩元件对大能量脉冲的承受能力也极为有限。近年来人们利用光谱展宽过程中的非线性效应实现色散补偿,即自压缩效应,为这一问题的解决提供了新的思路,不仅简化了脉冲压缩过程,也有利于大能量超短脉冲的产生。然而自压缩效应存在着复杂的非线性过程,既要展宽脉冲光谱,又要满足脉冲传输过程中的正负色散匹配,因此对自压缩效应的控制极为困难。尤其对常用的800nm波段钛宝石激光,由于缺乏具有合适负色散的光学材料,通常很难实现自压缩。
图1,空间上自压缩效应的原理图
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室魏志义研究组(L07组)多年来致力于少周期激光脉冲产生的研究,最近该组博士研究生高亦谈在赵昆、魏志义等人的指导下,基于研究组内发展的薄片组光谱展宽技术,利用飞秒钛宝石放大激光电离产生的锥状辐射效应,通过在空间上精确寻找到色散匹配最佳位置,并配合空间滤波,最终获得了少周期飞秒自压缩脉冲。实验中他们所用钛宝石激光器的中心波长约800nm,脉宽小于40 fs。在该激光脉冲注入下,产生了光谱覆盖从650至900nm、脉宽短至8.8 fs的少周期脉冲,数值模拟的最短脉宽达5.0 fs。该工作展示了在800nm中心波长附近能稳定产生少周期自压缩脉冲的方法,首次实现了在固体材料自压缩中对电离的调控,其在高功率少周期脉冲产生以及后续的阿秒脉冲产生方面存在巨大的潜力。
图2,基于薄片组自压缩的实验装置示意图
此外,由于通过空间滤波后的自压缩脉冲光斑为环形分布,而环形光斑在高通量高次谐波的产生过程中被证明有独特的优势,因此可为后续极紫外激光的产生研究提供稳定可靠的光源。相关结果发表于最近的Optics Express上
(https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-19-29789 )。这也是该组继采用固体薄片进行光谱展宽并产生少周期飞秒脉冲系列突破工作的基础上,最新获得的创新成果。
图3,精确调控电离强度后的自压缩模拟结果
这项工作及相关研究得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
来源:中科院物理所
发布时间 : 2021-09-09
激光切割设备应用终端需求旺盛,为专用空压机市场带来增长新空间
据激光加工专委会统计,2020年中国国内激光加工设备产业产值680亿,较上年增长18%。当前,中国激光产业尽管受到国内外经济大环境调整带来的波动,激光行业的利润有所影响,但仍以较高增长速度继续发展。预计2021年,中国国内激光加工设备产业产值有望达到850亿。
目前,中国激光行业的国产化替代进程正不断加快,并且替代质量显著提升。无论高功率激光装备、光源(光纤激光器、超快激光器等)、激光器件和控制系统(激光芯片、控制软件和配件)等产品,目前的国产占有率都在稳步提升,产业逐步成熟,带动高新技术企业发展成长为支柱产业。
激光切割市场快速增长
我国激光切割设备应用的终端行业广泛,目前主要用于工业材料加工和通信存储行业,分别占45%、28%,其次是医疗美容和科研军事领域,分别占比9%和7%。激光切割设备下游产业中,中低功率激光切割设备用于机箱机柜、门业、五金制品、电子行业、家电厨具、广告装饰业等行业较多;高功率激光切割主要用于轨道机车、船舶行业、汽车行业的零部件制造,重型机械模型制作、石油管道、建筑行业等。目前,光纤激光切割在一般的金属加工行业已成为一种市场趋势,广泛应用于钣金金属加制作、厨灯具、锯片、厢板、金属、纺织机械、粮食机械疗器械表等行业。特别是在钣金业许多加工方式中,深受行业用户的青睐。
过去几年,在激光切割设备上游如激光切割头、激光器和激光切割控制系统等核心部件价格不断下降,以及国产激光切割设备企业技术实力、品牌实力、营销实力的不断提升下,我国激光切割设备市场渗透率和应用领域不断提高,激光切割正逐步替代金属成形机床中的冲床、剪板机、剪切机床等传统产品,激光切割设备行业迎来快速发展时期。
2018年我国激光切割设备行业市场规模达到243亿元,同比增长26.56%,2014-2018年我国激光切割设备行业市场规模年复合增长率达到23.09%,成为我国国民经济发展速度最快的行业领域之一。
2019年,激光切割设备核心部件激光器价格继续大幅下降,进一步降低了下游行业客户购买激光切割设备成本,部分市场需求得到进一步释放,但同时也受到汽车、3C 消费电子行业周期性下滑、中美贸易摩擦导致的政策波动风险和行业同质化竞争加剧的不利影响,国内激光切割设备需求大幅放缓,汽车、3C等部分领域需求呈下降趋势,2019年我国激光切割设备市场规模为266亿元,增速降至个位数9.47%。
2020年,激光切割产值较2019年增长了15%,设备装机量增长了40%;万瓦以下,国产光源占据主流;国产光源12kW功率激光切割机,已装机1500台。目前,国产激光切割工艺、配套部件、软硬件等都在进一步优化,切割效率显著提升。值得欣喜的是,40kW国产光源已实现销售。未来,借助包括工程机械应用在内的新基建的东风,将继续带动激光切割机迎来新一轮的增长。同时,激光切割也将持续替代火焰和等离子等传统切割手段。
目前,激光坡口切割也是一大热点,国内也有不少企业开始投入研发并取得了显著的成效。在高功率激光装备上配备坡口切割功能,能够将传统切割、焊接、铣削等多道工序完成的坡口加工一次完成,大幅提高加工效率、提升产品质量、提高工件精度,以及节省资源和成本,对于推动应用行业的技术创新和装备升级大有裨益。
专用空压机在激光切割行业盛行
激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射材料迅速熔化、汽化、烧蚀,并借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现对工件的切割。激光切割与其他切割方法相比较,总的特点是切割速度快、质量高,具体可概括为如下几个方面:
(1)切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量;(2)激光气割切口细窄、切缝两面平行并且与表面垂直度好;(3)切割表面光洁美观,甚至可作为最后一道加工工序,无需机械加工,零件可直接使用;(4)材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变形小,切割精度高;(5)切割速度快,例如:2500W的激光切割1mm厚的冷轧碳钢板,切割速度可达16-19m/min;(6)非接触式切割,激光切割时喷嘴与工件无接触,不存在工具磨损。
激光切割机能应对各种材质和复杂形状的切割要求,但除了高效稳定的激光器外,辅助气体也是确保工件切割质量的关键因素,激光切割一般常用氮、氧、空气作为辅助气体。
氮气(≦1.4MPa)主要用于切割不锈钢材料,以保证切割断面的不锈钢本色,一般切割较厚板材时采用负焦切割,以获得最佳的切割效果,切不锈薄板效果最好,速度快,质量好;氧气(≦1MPa)则主要切割碳钢材料,一般切割较厚板材时采用正焦切割,以获得最佳的切割效果;压缩空气(≦0.8MPa)的切割性能较差,但适用性较好。增压的压缩空气(中低压1.4—1.6MPa)即可切不锈钢材料,切割断面发黑略黄,纹理细腻;也可切碳钢材料,切割断面比用氧气切的无大差异,但切割速度略慢一点,不是很明显。
由于氮气、氧气成本均高于压缩空气,所以近两年激光切割行业普遍采用压缩空气作为辅助气体。其优点主要是节约生产成本。每天单耗80度电(1元/kW/h),相当于15瓶(25元/瓶)氧气的工作时长,每年即可节省7万多元/台。并且可有效提高切割能力,增加切割厚度。与氧气相比,挂渣稍多,速度稍慢,但差异不是很明显,基本不影响使用。
在行业竞争愈加激烈的背景下,通过提高产品工艺难度、提升产品工业设计水平等方式增加产品的附加值,是目前大多数企业获得竞争优势的手段之一。压缩空气作为一种理想的激光切割辅助气体,不仅能帮助完成高质量的切割任务,还能为企业降低成本、提升效益。但在激光器切割操作的实际过程中,压缩空气的品质对于激光切割质量有非常直接的影响。
压缩空气中含有水雾和油,如果没有处理干净,高压喷射到激光切割头的保护镜面上,就会严重影响激光束的传输,使焦点分散,造成产品切不透,产生废品。如果是超大功率激光切割机,只要保护镜面或喷嘴表面粘上一点点极细微的油膜或水雾,也有可能造成高能激光发射烧坏激光头。由于超大功率激光切割机(12000W以上)的激光头价格都在2万以上,而一般空气压缩机的提供者都不能对压缩空气中的油和水分进行很好的处理,所以很多超大功率激光切割机的用户都不愿意冒险采用压缩空气作为辅助气体。因此激光用空气压缩机的机型选择显得格外重要,激光切割专用一体空压机应运而生。
激光切割将迎来高光时刻
近来,国内激光制造企业积极投身于各类产能扩建项目中。譬如,2020年12月奔腾激光温州二期工厂投产庆典暨奔腾激光3万瓦激光切割机床全球发布,奔腾激光二期工程占地70亩,总建筑面积近4万平方米。届时,温州总部生产基地产能将达到20亿元,成为中国华东地区规模大、数字化程度高的激光装备生产基地。
又如,2021年3月华工科技智能制造产业园(葛店园区三期)投产暨超高功率新品全球发布。此次新投产的智能工厂建设包括一座激光钣金加工智能示范工厂、三条大型激光先进制造装备生产线,具备年生产高功率激光切割装备3000台、钣金加工智能工厂产线15条的生产能力。值得一提的是,华工科技提出了一个概念:今后,要像生产汽车一样来制造激光智能装备,旨在提质、降本和增效。
激光与光电技术快速发展已然成为机械制造、汽车制造、航空航天、动力电池、智能手机制造、医疗器械乃至国防军事等领域不可或缺的支撑技术,尤其是中国经济正处于向高质量发展的新阶段,发展高新技术产业是必经之路。因此,未来3至5年,可能是中国激光产业辉煌的高光时刻。在经济增长新动能尚未完全形成的背景下,中国必须加快推进自主创新和产业结构升级,提升高端制造业的自主研发能力,在未来全球经济复苏过程中,激光作为智能制造装备的关键技术,将会起到更重要的作用。这就要求作为重要气辅设备的激光切割空压机厂商,不断在气体洁净度、运行稳定性以及产品能效方面下功夫,为激光产业高质量发展贡献力量。
来源:压缩机网
发布时间 : 2021-09-08