Команда из Шэньчжэня преодолела технические трудности в разработке сверхбыстрых дисковых лазеров 

Команда из Шэньчжэня преодолела технические трудности в разработке сверхбыстрых дисковых лазеров

В настоящее время ускоряется новый виток технологической революции и промышленной трансформации, и Шэньчжэнь наращивает усилия по созданию влиятельного в глобальном масштабе центра инноваций в области промышленных технологий. В этом очаге инноваций университеты Шэньчжэня перестали быть просто «теоретическими» – они находят темы исследований, исходя из насущных потребностей предприятий, используют передовые технологии для прокладки новых путей развития промышленности и стимулируют быстрый рост производительности.

Газета «Шэньчжэньская специальная зона» запустила серию репортажей под названием «Промышленность предлагает, университеты дают ответы», посещая лаборатории и проводя интервью с исследовательскими группами, чтобы зафиксировать реальные примеры сотрудничества университетов и предприятий в преодолении трудностей и технологических препятствий. В этих репортажах рассматривается, как университеты могут выступать в роли «решателей проблем» с микроперспективы, создавая собственный мощный ответ Шэньчжэня на национальные стратегии и поддерживая технологическую самодостаточность.

Недавно журналист рассказал о том, как исследовательская группа из Шэньчжэньского технологического университета сотрудничает с предприятиями для преодоления технических проблем в области сверхбыстрых дисковых лазеров. Давайте посмотрим.

В «Объединенной лаборатории интеллектуального лазерного производства» Шэньчжэньского технологического университета лазерный луч незаметно меняет ландшафт отрасли. Исследовательские группы постоянно добиваются прорывов в ключевых технологиях, таких как дисковые активные среды, структуры накачки и теплоотвод, стремясь к созданию важнейшего звена в области высокотехнологичного лазерного оборудования — дисковых лазеров. Столкнувшись со строгими техническими барьерами, команды профессоров Руана Шуанчэня и Лю Сина из Шэньчжэньского технологического университета вместе с лазерной группой доктора Лю Цитао начали комплексную исследовательскую работу, от фундаментальных исследований до разработки оборудования. После многих лет кропотливой работы они совершили значительный прорыв для нашей страны в области мощных сверхбыстрых дисковых лазеров.

Дилемма «жемчужины короны»: самодостаточная задача, заблокированная лучом света

В лазерной индустрии есть устройство, которое называют «жемчужиной короны» — дисковый лазер. Благодаря своим уникальным преимуществам, таким как высокая средняя мощность, высокая пиковая мощность, высокое качество луча, высокая эффективность электрооптического преобразования, большая энергия одиночного импульса и превосходные возможности терморегулирования, дисковые лазеры стали важной опорой для таких областей, как источники света EUV, передовое производство, обработка полупроводников, обработка экстремальных материалов и крупные научные установки.

Однако блеск этой «жемчужины» долгое время оставался в руках ведущих международных компаний. От изготовления крупногабаритных высококачественных усиливающих сред до проектирования сложных многоканальных систем усиления и терморегулирования мощностью в киловатты; от многоканального эффективного извлечения энергии до сверхбыстрого управления стабилизацией импульсов — каждый шаг преодолевает множество барьеров в оптике, материалах, термодинамике и прецизионной инженерии, становясь ключевым технологическим узким местом, препятствующим развитию высокотехнологичного лазерного оборудования в нашей стране. «В течение значительного периода времени дисковые лазеры были одной из важнейших областей, в которой моей стране срочно требовался прорыв в сфере высокотехнологичного промышленного лазерного оборудования», — сказал Лю Син, профессор Китайско-германского института интеллектуального производства Шэньчжэньского технологического университета.

Вызов микрометрового уровня: скачок от 300 Вт до 2 киловатт

«Ранее средняя мощность высокоэффективных сверхбыстрых лазеров в Китае составляла около 300 Вт. Мы сотрудничали с предприятиями для проведения систематических исследований, добиваясь прорывов шаг за шагом, от основных компонентов до всей системы, и, наконец, в 2023 году достигли мощности сверхбыстрого дискового лазера в киловаттах, совершив значительный скачок вперед для моей страны в этой области», — сказал Лю Син. «В то время вся отечественная лазерная промышленность была в восторге. В этом году мы еще больше увеличили среднюю мощность до 2 кВт, перейдя от догоняющих к лидерам».

Путешествие в тысячу миль начинается с одного шага. Тонкопленочный кристалл, являющийся основной средой усиления дисковых лазеров, играет решающую роль в генерации и усилении лазерной энергии. Однако этот кристалл размером с ладонь, обычно толщиной всего 100-300 микрометров, должен выдерживать длительное воздействие лазерной мощности киловаттного уровня, что делает его производство гораздо более сложным, чем производство обычных оптических компонентов.

Для достижения высокой мощности лазерного излучения поверхность кристалла должна подвергаться высокоточному оптическому покрытию. Однако на уровне микрометров внутреннее напряжение в слое покрытия может легко вызвать деформацию кристалла, вплоть до образования трещин. Одновременно с этим, упаковка кристалла включает в себя скоординированную оптимизацию множества физических процессов, включая подбор материалов, контроль напряжений на границе раздела, жидкостное охлаждение и теплопроводность, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности обработки, управлению процессом и проектированию системы. Это критически важное звено стало ключевой технической проблемой, которую необходимо было срочно преодолеть при разработке дисковых лазерных устройств с лазерным приводом в то время.

В 2020 году доктор Лю Цитао, главный технический директор компании Laser, проявил инициативу и связался с исследовательской группой Шэньчжэньского технологического университета, надеясь совместно решить эту передовую в международном масштабе техническую задачу. Компания обозначила наиболее актуальные и сложные технические потребности в процессе промышленного производства, и команда университета взялась за решение этой «проблемы» для будущего высокотехнологичного оборудования.

Днём они проводили экспериментальные проверки; ночью изучали литературу и анализировали технические пути. Команда часто обсуждала ключевые вопросы до 1 или 2 часов ночи, а затем продолжала оптимизировать решение на следующее утро. После нескольких месяцев непрерывных усилий команда наконец преодолела ключевые технологические прорывы в области тонкопленочной кристаллической упаковки и высоконадежной работы, заложив прочный фундамент для последующей реализации сверхбыстрого дискового лазера мощностью в киловатты.

Свет из лаборатории: решения, разработанные в сотрудничестве промышленности, академических кругов и научных исследований

«Большинство компаний не имеют условий для долгосрочного исследования совершенно неизвестных направлений», — говорит Лю Син. Давление рыночной конкуренции и сроков поставки продукции постоянно присутствует, и фундаментальные и перспективные технологические исследования часто представляют собой долгосрочный, высокорискованный «одинокий марафон». Именно здесь университеты могут сыграть свою роль, используя свои преимущества в фундаментальных исследованиях и оригинальных инновациях для дополнения предприятий и совместного решения ключевых технологических проблем в промышленном развитии.

По мере того, как «Совместная лаборатория лазерного интеллектуального производства» продолжает свою работу, технические запросы от передовой промышленности постоянно поступают в университетские лаборатории. От прорывов в основных процессах дисковых лазеров до усиления высокой мощности, контроля качества луча и подавления тепловых эффектов… как только решается одна проблема, возникает новая задача, подталкивающая исследовательскую группу к постоянному стремлению к более высоким целям.

«Суть сотрудничества между промышленностью, академическими кругами и научными исследованиями заключается в определении технологических направлений, которые интересуют обе стороны и в которые они инвестируют. Такое сотрудничество не только способствует промышленному развитию, но и отвечает национальным стратегическим потребностям», — сказал Лю Син. Опираясь на это направление, команда в течение нескольких лет проводила непрерывные исследования и разработки. При поддержке Национальной ключевой программы НИОКР и крупных проектов технологических прорывов Шэньчжэня, команда Руана Шуанчэня и Лю Сина последовательно добилась прорывов в ключевых технологиях, таких как высокопроизводительные дисковые модули усиления, многопроходное высокоэффективное усиление, компрессия сверхкоротких импульсов высокой мощности и общая системная интеграция, сосредоточившись на основной технологической системе мощных сверхбыстрых дисковых лазеров.

Сегодня ряд исследовательских достижений переходит от лабораторной проверки к инженерным приложениям, постоянно ускоряя процесс самостоятельной разработки основных компонентов и индустриализации высокотехнологичного лазерного оборудования.