目前3D打印技术已经非常普及，而4D打印就是在三个维度的立体空间中进行的3D打印再增加一个时间维度，使打印的物体能够随时间的延续按照预先设计的要求发生外型和结构的变化，最终形成所需要的物体。4D打印技术属于世界最前沿，目前世界上只有为数不多的科研团队在进行前瞻性研究，瑞士苏黎世联邦理工大学工程设计与计算实验室发布消息称，依据他们提出的4D打印设计原理，可以精确的控制预先用3D打印技术在平面打印完成的物体的变形过程，最终获得预先设计的具有一定强度和刚度的三维结构，这在世界上还属首次。

该科研团队开发出一种计算机模拟软件，其核心是设计出一种特殊的枢纽单元，它由一个固定（刚性）的部件和一个可移动（弹性）的部件构成，具有多种稳定状态。由这种枢纽单元可组合成复杂的三维结构，并因为各个单元具有有限几种稳定状态，可根据预先设计的目标结构对其变形的过程进行精确的设计。

科研人员已应用标准的3D打印设备在平面上一次打印出一个作为验证原理用的样品，其枢纽单元具有两种稳定的状态，其主体结构（固定部件）用塑性高聚物为材料，可移动部分用弹性高聚物为材料，对所获得的这种具有平面结构的样品用手工调整其枢纽单元的状态后可形成各种不同的立体结构。科研人员称，正在对结构变形的过程设计适当的动力装置，如气压装置或者应用在不同湿度环境中具有膨胀性能的材料，完成结构的自动变形过程。
 

4D打印具有非常广阔的应用前景，比如用3D技术在平面上制作部件，到特定使用现场再使其展开成最终所需的结构和形状，技术简单、效率高，体积小便于运输。航空航天领域可能是4D打印最先得到应用的领域（这种原理在航天技术上已经有所应用，如航天领域的许多工具，在向空间发射运送阶段是处于紧凑状态，到达航天器后再展开投入使用），再如医疗领域的植入人体器官的各种支架等。

最近，科学家成功将激光聚焦到十亿倍太阳表面光强的强度，并实现其与高能电子的精密对撞，验证了电动力学近百年从未被验证的关键理论：高阶多光子汤姆逊散射理论。该结果将为停留在理论阶段的量子电动力学理论体系打开实验的大门。实验过程中产生了极高能的定向伽马射线，可用于产生高能高亮光源；该过程还有望在实验室产生阿秒量级的伽马暴，开启阿秒尺度核物理、实验室高能天体物理等全新的研究领域。

在美国内布拉斯加大学林肯分校极端强光实验室，科学家正在进行世界上最强的激光与高能电子的散射实验。

（图片来源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）

6月26日，美国内布拉斯加大学林肯分校与上海交通大学合作在《自然·光子学》上发表的一篇研究型论文称，通过将超强超快激光聚焦，科研人员得到了峰值强度比太阳表面强度高出十亿倍的极强光场环境。他们发现，在如此之强的激光下，近光速运动的电子有可能一次性将上千个光子“同时”吸收，然后“合并”成一个高能光子发射，科学上称之为“高阶多光子汤姆逊散射”。该理论是经典电动力学的著名理论之一，早在十九世纪初就被提出，但是由于实验条件的限制，直到最近超快超强激光技术的发展才让该理论的实验验证成为可能。虽然《自然·光子学》报道的最新实验的激光强度已经很高，但如果激光强度继续增加，经典的电动力学理论将不再适用，取而代之的是量子电动力学。该理论显示在激光强到千万亿倍太阳光强的时候，激光会在绝对真空当中产生正负电子对，也就是实现爱因斯坦的终极理论质能转化E=mc2。该实验结果就是经典电动力学理论向量子电动力学理论发展中的重要实验验证。
 

该实验在美国内布拉斯加大学林肯分校的极端强光实验室迪奥克莱斯（Extreme Light Labortaory, Diocles laser）激光装置上实现。该激光装置是目前世界上最先进的超强超快激光装置之一，设计脉冲宽度为27飞秒（相当于光速穿过头发丝直径的十分之一时间），峰值功率达到一拍瓦（一拍瓦合1万亿千瓦。作为对比，我国2016年平均每月全国总用电量约为4千亿千瓦时）。
 

该实验具有极高的挑战性，对时空精度要求极度苛刻。为了实现电子与光子的对撞散射，首先要将迪奥克莱斯激光分成两束，其中一束激光脉冲用来产生相对论速度运动的高能电子，也就是激光尾波电子加速。该过程中，如何实现稳定的激光加速本身就是一项极具挑战性的课题，近几年国际上各大强光实验室均开展了相关的研究。产生微米（头发丝直径的八十分之一）大小高能电子束的同时，要将另一束激光精密聚焦到与电子束同样大小，并在微米空间、飞秒时间尺度内，实现电子束与激光束的精确对头碰撞。由于电子和光子都以光速运动，因此如何在实验上实现如此精密对撞，是该领域一直存在的挑战。尽管目前世界上已有几十台拍瓦量级的超强激光，但在如此超高强度下实现如此精密的实验，尚属首次。研究人员通过在上海交通大学高性能计算中心的超级计算机π上的数值模拟，将该实验结果在计算机模拟中得到了很好的再现。

该项目负责人内布拉斯加大学林肯分校Leland and Dorothy Olson讲席教授Donald Umstadter

左图：论文第一作者闫文超博士；右图：上海交通大学特别研究员陈民（右）、博士生罗辑（左）
 

多光子汤姆逊散射具有非常高的应用价值。该论文的第一作者，前中科院物理所光物理实验室博士毕业生，现美国内布拉斯加大学博士后，该项目的实验负责人闫文超博士表示：“我们的这项技术可以用来产生极高亮度的X-伽马射线光源，亮度可以与第三代同步辐射光源相比拟，但是装置体积却只有几十甚至上百分之一，有望在未来补充同步辐射光源，为医疗成像、材料研究、生物大分子研究，三维度量学提供更为廉价的光源，解决现有同步辐射光源数量少、排期难、费用高的问题。同时，高能伽马射线可以穿透极厚的钢板，有望对海关检验毒品武器走私等给予极大的帮助。由于我们的装置可以做到很小，未来有可能集成到小型集装箱货车中，进一步增加辐射光源使用的灵活性。”

车载多光子汤姆逊散射伽马射线光源有望使用于海关检验等环境。

（图片来源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）

利用超强激光与电子相互作用产生的伽马射线, 科学家成功拍摄Wi-Fi接受器的内部结构。

通常的x射线并不能够穿透金属进行如此清晰高分辨的成像。

（图片来源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）

多光子汤姆逊散射的整个物理过程也具有极高的基础科学研究价值。由于此物理过程中，多个光子参与一个相互作用事件，与此前单光子汤姆逊散射呈现出了完全不同的定标规律。本论文的通讯作者、极端强光实验室主任，Donald Umstadter教授说：“在超强对撞激光条件下，电子会进行极端非线性运动，同时光子密度很高，因此单电子会与几百个光子相互作用，这些光子被同时相干耦合在一起，形成一个超高能的光子。实际上，理论显示我们实验中可能已经实现了高达1300个光子的同时被散射。多光子汤姆逊散射理论已经存在几十年之久，但从未被实验彻底验证，这是实验室首次实现如此多光子共同参与的汤姆逊散射，并完整地验证了该理论，对电动力学的发展意义重大。”另外，超强激光在聚焦处的峰值强度都是在低能激光脉冲条件下进行各种参数测量后估算的，目前没有任何的直接测量方式。由于本实验中的相互作用过程产生的伽马射线具有独特的空间分布，并且该分布与对撞激光的强度直接相关，因此根据该实验过程中产生的伽马射线的性质可以精确地标定超强激光的峰值强度，这也是目前唯一直接测量超强激光峰值强度的方法。

激光强度的变化引起电子运动轨迹发生变化，辐射的伽马射线空间分布发生变化。

在激光最强的时候，超过500个光子同时被单个电子散射。

（图片来源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）

研究人员表示，未来将进一步升级激光，对多光子散射理论进行更深入的研究，并展开初步的量子电动力学的研究。此外还将优化伽马射线光源的品质，希望尽快实现其广泛的应用价值。

超短脉冲光纤激光器具有易操作、结构紧凑、性能稳定、成本低等特点，被广泛应用于高速光通信、光传感、光频梳、激光雷达、光谱分析、军事等相关领域，是目前光电子领域的研究热点之一。同时，作为非线性光学等理论研究的前沿课题，超短脉冲光纤激光产生技术已成为国家战略和高端工业产业的核心技术之一。为了实现超短脉冲光纤激光输出，如何进一步的认知光纤激光器的非线性动力学机制并实现激光器腔内光学器件的非线性调控是该技术所涉及的关键科学问题。

北京邮电大学理学院刘文军、雷鸣等青年教师针对暗孤子脉冲产生技术的限制，理论分析了暗孤子脉冲产生的动力学行为，实验上实现了最宽光谱暗孤子脉冲输出。基于非线性Schr?dinger方程和复Ginzburg-Landau方程，通过改变光纤的非线性参数研究了暗孤子脉冲在光纤激光器中的传输特性，从理论上提出了减弱暗孤子脉冲相互作用的方法，在实验上实现了光纤激光器中暗孤子脉冲的稳定输出。经理论计算，进一步优化了光纤激光器腔内色散与非线性参数，成功研制出最宽光谱暗孤子脉冲光纤激光器，并且通过拉锥光纤与可饱和吸收材料的协同优化，实现了最短脉宽为67 fs的混合锁模光纤激光输出。该课题组还将之用于全光纤激光锁模，进一步实现了脉宽246 fs的锁模脉冲激光输出。据知这是迄今为止过渡金属硫化物全光纤锁模激光器所产生的最短脉宽报道。

立夏是二十四节气之一，也是夏季的开始。5月5日，即将迎来立夏时节，立夏的到来代表着夏天就要来临，气温明显升高。

此时正值孟夏时节，虽然未到烈日炎炎酷暑难耐的时候，但是此时雷雨增多，湿气很重。

频繁的降雨和潮湿环境，很容易导致激光器内部的结露，从而降低激光器使用性能甚至损坏。

如何避免激光器结露现象？夏季使用激光器又应该注意哪些事项？

运行环境要求
 

虽然，光纤激光器的光纤传输线缆能够在严苛环境中使用，但激光器本体对使用环境有较高要求。

具体使用环境（包含安放环境、环境温度和相对湿度要求）见下表所示：

定义结露
 

把物体放在一定温度、湿度和压力的环境下，逐步降低物体温度。

当物体周围温度降低到这个环境的“露点温度”以下时，空气中的水分逐步达到饱和状态，直至在物体表面析出水露，这个现象就是结露。

定义露点温度
 

露点温度：从应用角度来讲，就是能让工作环境周围的空气析出“冷凝水露”的温度就是露点温度。

避免结露

1、避免不自带空调的激光器内、外环境结露

如使用不自带空调且暴露在工作环境中的激光器时，冷却温度一旦低于激光器内环境的露点温度，水分就会析出到电学和光学模块上。

不自带空调的激光器内环境结露示意图

如此时仍不采取任何措施，激光器外表面会开始跟随结露。
 

不自带空调的激光器内、外环境结露示意图

因此一旦看到激光器外壳有结露，说明内环境已经结露。必须马上停止工作，立即按照上文中提到的激光器运行环境要求，改善激光器工作环境。

解决办法
 

建议为激光器配置独立的空调间。

激光器对冷却水的要求
 

激光器冷却水温度必须设置在最严苛运行环境的露点温度以上。

注：内环境结露造成的激光器损坏不在激光器正常保修范围内。

2、避免自带空调的激光器内、外环境结露

使用自带空调且暴露在工作环境中的激光器时，空调的制冷和除湿作用会大大降低激光器内环境的露点温度。一般设置工业空调的制冷温度和冷却水温度一致。

当环境温度低于38℃，工业空调能够维持激光器内环境的安全，但激光器外壳表面可能有结露现象。

如果结露不形成流动水珠就安全，如果有大量流动水珠，且在激光器四周地下有明显水渍，必须为带空调的激光器再建立一个安全不结露工作环境。

自带空调的激光器内环境结露示意图

当环境温度高于38℃，工业空调的制冷量不足以维持激光器内环境的安全，仍会出现内环境结露，时间一长，外环境也会跟随结露。

因此激光器四周不能有明显热源，水冷机的热出风口不能正对激光器。

自带空调的激光器内、外环境结露示意图

3、避免加工头内环境结露

当换季或当天气温变化较大时，如果激光器出现加工不正常现象，除了机器本身，还需要检查是否发生加工头内环境结露。

加工头结露会对光学镜片造成严重伤害：

1、冷却温度低于环境露点温度，会造成加工头内壁和光学镜片结露。

2、使用低于环境露点温度的辅助气会造成光学镜片快速结露。

建议在气源和加工头中间加蒸发器，让气体温度靠近环境温度，降低结露风险。

4、使用露点温度查询表

图为：露点温度查询表表格。左侧是当前工作环境温度，顶边是当前工作环境湿度，温度和湿度参数的交叉点温度就是此环境下的“露点温度”。

也即：在此环境中任何处于这个露点温度以下的物体，其表面就会结露。

因此调节原则如下：

1、 低温水在15-30℃范围内调节，同时不能低于激光器内环境的露点温度，而且尽可能的靠向25℃。

2、 常温水在5-30℃范围内调节，同时不能低于加工头工作环境的露点温度，而且尽可能的靠向当时的环境温度。

否则需要根据露点温度查询表改善工作环境。

注：如使用当日温度和湿度浮动较大，必须以温度和湿度的最大可能值计算露点温度，否则仍可能产生结露并损害激光器和激光输出头。

由于结露是一种客观存在的物理现象，无法100%的避免，但还是要提醒大家，在激光器使用时：一定要尽量缩小激光器运行环境和其冷却温度的温差。

自动驾驶发展的瓶颈之一在于，需要开发出可以对汽车所处环境进行3D感知的高性能传感器。

技术的进步使得自动驾驶不再是遥不可及的事情。在众多智能器件中，传感器显得十分关键。
 

在自动驾驶汽车中广泛使用的是被称之为“Lidar”的传感器，即激光雷达传感器,它也被称为无人驾驶汽车的眼睛。Lidar可以发射激光束，并通过捕捉反射回来的信号绘制出周围环境的3D模型。谷歌、Uber和丰田等公司测试的自动驾驶车都依赖这种激光雷达系统，使得车辆可以自我定位，并识别行人和过往车辆。当前最好的传感器可以识别距离100米之外、大小只有几厘米的物体。
 

大多数开发自动驾驶汽车的公司都使用Lidar系统，只有特斯拉是个例外，它只依靠相机和普通雷达。然而，雷达传感器在捕捉细节方面捉襟见肘，相机在低光或眩光的条件下也表现不佳。去年，一辆特斯拉汽车和一辆拖拉机相撞，特斯拉车主不幸遇难。这一事故的原因正是特斯拉的Autopilot软件系统无法在高亮度的天空背景下识别拖拉机。丰田负责自动驾驶的副总裁RyanEustice承认，安全问题仍然是自动驾驶汽车开发过程中的“未解难题”。
 

事实上，自动驾驶技术发展速度之快，使得激光雷达的发展显得略有滞后。激光雷达传感器之前一直是相对独立的业务，与传统汽车制造相比远不够成熟，尚不能成为数百万辆汽车的标配。
 

从披露的各种试验车上，我们也能看得出问题所在：激光雷达传感器体积巨大且笨重。这也是为什么谷歌、Uber和丰田的自动驾驶汽车都顶着一个大大的圆顶或盒子状的装置。

激光雷达眼中的世界
 

激光雷达传感器价格不菲，一台传感器的花费就高达数千甚至数万美元。目前，大多数测试车辆上都装有数个激光雷达。尽管道路上自动驾驶车辆的数量极少，激光雷达也到了供不应求的地步。最近有相关报道称，尽管激光雷达制造商正在努力增加产能，但客户还必须等待6个月左右才能得到一台新的传感器。
 

激光雷达的稀缺也帮助我们理解了上个月Waymo对Uber提起的诉讼：Waymo宣称它有证据表明，其顶级工程师之一的Anthony Levandowski在离开公司创立自有品牌Otto之前窃取了Waymo激光雷达传感器的设计。之后Uber收购了这家自动驾驶卡车公司Otto。
 

去年，Otto的共同创始人Lior Ron告诉媒体，公司建立了专门针对卡车的激光雷达传感器，因为市场上并没有满足18轮大卡车在高速公路上安全驾驶所需的传感器。 Waymo指出，Otto的技术实际上来源于Waymo耗资数千万美元开发的技术，Otto靠着搭顺风车将传感器的成本与几年前相比降低了90％以上。
 

高性能的激光雷达系统是Waymo将自动驾驶汽车商业化和实现盈利的重要部分。该公司开发了三种用于寻找不同范围物体的传感器。Waymo表示它准备将这些技术打包，然后分别授权给知名的汽车制造商。
 

Waymo并不是市场上唯一一个耗资数百万来解决激光雷达滞后的公司。去年，福特和百度向世界领先的激光雷达供应商Velodyne投资了1.5亿美元。该公司准备在圣荷西建造一个大工厂，并计划从明年开始发售激光雷达。
 

不过，激光雷达在导入市场之前还需要很多改进。包括Velodyne在内的几家公司正在开发不使用旋转镜改变激光束方向的Lidar系统。相比于目前的笨重设备，以纯电信号来改变激光方向的Lidar会更便宜、体积更小。因为其没有可移动的部分，这种激光雷达被称为“固态”激光雷达系统。

谷歌自动驾驶汽车的专利显示了其如何使用激光雷达来探测前方的道路
 

这一理论还处在测试阶段。Velodyne报道其在去年12月取得了一项“突破”，可以使激光雷达的价格低至50美元，但它并没有指出是否实现了固态系统。初创公司Quanergy去年获得了9000万美元的融资，声称它将在马萨诸塞州建立工厂生产固态激光雷达传感器，售价为250美元，但该公司的产品细节目前还不清楚。汽车零部件供应商Continental和Valeo也在开发类似的技术，宣称将在两至三年内上市。
 

包括福特和宝马在内的汽车制造商表示，他们希望在2021年之前实现自动驾驶汽车的批量生产。毫无疑问，这些汽车的性能、成本和外观在很大程度上都将视激光雷达系统的发展情况而定。