德国开展激光光学技术研究的机构和大学汇总

2013-09-11 admin1 1305

起源于20世纪60年代初期的激光技术,是20世纪能够与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一,激光技术走过了50年的快速发展路程,其对人类社会的发展产生了深远的影响。

激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

激光的原理早在 1917年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现,但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。

1917年,爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。

1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。

此时距离爱因斯坦提出激光理论已经相距43年才研制出第一台激光器,主要原因是:普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小,当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收两过程同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时,粒子在各能级上的分布,遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律,处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时,光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

目前,在欧洲地区激光产业发展最快的是德国,特别是激光材料加工方面处于世界领先的地位。1986年德国提出了 1987- 1992 年《激光研究与激光技术》资助重点的BMFT资助计划,在这五年期间实际投资为2亿6千2百万马克, 资助重点与经费分配为:激光器与元件36%,应用技术与系统集成48.9%,激光测量与激光分析12.2% ,其它2.3%;也就是说约72%的经费用于激光材料加工的课题(光源、元件、 系统和方法)。承担课题的有科研集团(FHG、MPG、GFE)6个科研所,9个大的激光中心,高校研究所中的30个科研组,共约900名科研人员参加。在这期间建立的比较著名的研究所和中心有:夫朗和费激光技术研究所、柏林固体激光研究所、汉诺威激光中心、斯图加特光束应用研究中心等。

根据德国机械制造协会--激光材料加工工作联盟1994年的统计,用于材料加工的光源(CO2)和YAG激光器)总共生产了1364台,产值1.65亿马克,比1993年增长13%;激光器件台数增长了39%。特别是用于标记和牙科方面的小功率激光器即YAG激光器出现了超比例的增长率。因此德国用于加工技术的激光器,高于以前任何时期。用于材料加工的光源,德国企业(主要是Rofin-sinar激光公司、Trumpf激光技术公司、Haas固体激光公司、Lambda Physik公司等)几乎占了世界市场的40%,处于领先地位。与此同进,还签订了1544台激光器的订货合同,价值1.77亿马克。1994年激光系统的营业额也达到860个系统的生产额,价值为2.35亿马克,台数增长率为51%,销售额增长率为17%。与此同时,还签订了937个系统合同,价值2.49亿马克(台数增长率58%,产值增长率18%),这些合同与1995年预测的生产额接近。

在激光光源方面CO2占42%,Nd:YAG占35%;在激光系统方面CO2激光加工系统占56%,YAG 激光加工系统占40%,CO2激光加工系统Trumpf公司是自行配套,而Rofin-Sinar公司则与格瑞斯海姆有限公司合作配套,已形成Lascontur系列激光加工机。出口部分的增长表明,在国际上德国企业有强大的竞争能力,德国激光工业目前仍处于上升阶段。在完成1987-1992年BMFT“激光研究与激光技术”资助计划后,1993年德国又提出了“激光2000”新的资助计划。

欧盟第七研发柜架计划

先进的光纤激光器技术,以毫微微秒(Fentosecond,10-15秒)量级产生激光脉冲,自诞生之日起就以复杂、昂贵和不稳定的特点而闻名。欧盟第七研发柜架计划(FP7)资助1000万欧元,总研发投入1600万欧元,由德国科技人员进行总协调,欧盟7个成员国及联系国德国、瑞士、英国、法国、芬兰、丹麦和瑞典21家机构科技人员参与的欧洲LIFT研发团队,成功地研制出新型的、稳定的和价格合理的大功率毫微微秒光纤激光源,为光纤激光技术的推广应用奠定了基础。研发团队能在相对较短的时间内开发出基于光纤的短脉冲激光发生器和被称作“冷处理”的超短脉冲激光发生器,完全得益于研发团队科技人员的构成及相互协调配合。研发团队的科技人员来自广泛的学科领域,覆盖激光技术科研机构、激光源供应商和光学仪器组件生产企业的科研、实验和工程研究人员及工程师。

该研发团队在开发光纤激光器技术上的成功,将继续保证欧盟在激光技术及激光制造业的世界领先水平和竞争力。目前,研发团队的主要目标已转向光纤激光技术的商业化应用,包括:利用新一代光纤激光技术的运程切割与焊接工艺的开发;应用于医学的痤疮及粉刺技术已申请发明专利;应用于部分癌症治疗技术的开发;应用于太阳能电池组件制造技术的开发等。

近日,欧盟第七研发框架计划(FP7)提供部分资助,由德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)及欧盟多个成员国科研机构和工业企业参与的欧洲POLYBRIGHT研发团队,成功开发出一款创新型的高亮度激光束源和光束整形技术,可优质快捷地进行复杂几何形状塑料组件的焊接及整形,具有非常广阔的应用前景。

研发团队开发的创新型激光焊接技术的主要突破点在于:开发出2款优化设计的120瓦中红外(Mid-IR)激光束源、脉冲波长分别为1567纳米和1940纳米;开发出新颖实用的激光束整形组件,分别对衍射和折射光学元器件(DOE and ROE)进行优化组合,可生产出类似M形状的激光束源;先进辐照(Irradiation)工艺的计算机芯片自动控制模块,可对焊接区域的热能进行优化分布,以增强产品的外观度和坚固性(Robustness);首次采用适应塑料高分子材料吸收特性的红外波长激光束源设计理念。鉴于德国在激光技术发展方面具有突出贡献,以下OFweek激光网将一一盘点部分德国的激光科研机构和开展激光光学专业的高校。

一、弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer-Gesellschaft)

弗劳恩霍夫研究所是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构。弗劳恩霍夫协会是被认为和马克斯·普朗克协会并驾齐驱的德国最高水平的两大科研机构之一,在国际上享有盛誉。相比普朗克研究所基础科学方面的造诣,她更偏重于应用科技的研究。1991年,世界上第一台MP3就产生于弗劳恩霍夫协会位于埃尔兰根的集成电路研究所。

弗劳恩霍夫应用研究促进协会(德语:Fraunhofer-Gesellschaft zur F rderung der angewandten Forschung e. V.),即德国弗朗霍夫学会,是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构之一,成立于1949年3月26日,以德国科学家、发明家和企业家约瑟夫·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer, 1787-1826)的名字命名。弗劳恩霍夫协会下设80多个研究所,年经费10亿欧元,总部位于慕尼黑。

弗劳恩霍夫协会是公助、公益、非盈利的科研机构,为企业,特别是中、小企业开发新技术,新产品,新工艺,协助企业解决自身创新发展中的组织、管理问题。

近15000科研人员(包含德国合作院校的教授与参与实习的学生与研究生)一年为3000多企业客户完成约10000项科研开发项目,年经费逾10亿欧元。其中2/3来自企业和公助科研委托项目,另外1/3来自联邦和各州政府,用于前瞻性的研发工作,确保其科研水平处于领先地位。经费中会有至少40%会用于社会性,非商业化的科研工作。

弗劳恩霍夫协会致力于开展国际合作,在美国设有研究中心,在亚洲若干国家设有代表处,通过这些机构协会在世界的业务与合作正在进一步发展。

弗劳恩霍夫协会与中国科技、企业、教育界的合作至今有超过25年的历史,其间由众多弗劳恩霍夫协会研究所参与实施的研发项目,已经成为中德两国科技合作的重要组成部分。为了进一步加强、促进弗劳恩霍夫协会与中国各界的合作,协会于1999年在北京设立了弗劳恩霍夫北京代表处。

二、激光技术研究所 ILT

弗朗和夫激光技术研究所(FraunhoferInstitutLasertechnik-ILT)位于德国西部与荷兰交界的亚深市。该所建立于1985年7月,隶属于德国弗朗和夫学会,现有230名雇员,10000多平方米的可使用建筑面积。弗朗和夫激光技术研究所是国际上著名的应用型激光技术研究所。

2011年底,该所的Reinhart Poprawe教授极其激光专家团队被授予德国北莱茵-威斯特法伦州2011年“创新奖”。Reinhart Poprawe教授是夫琅和费激光技术研究所的主任,其激光专家团队成员包括Andres Gasser博士、Ingomar Kelbassa博士、Wilhelm Meiners博士和Konrad Wissenbach博士。该奖项的奖金金额为10万欧元。

20多年来,夫琅和费激光技术研究所始终致力于推动激光添加制造技术的发展、开发能在生产环境中节约能源和资源的工艺技术。夫琅和费激光技术研究所的专家们推动了激光加工技术在不同材料和不同应用中的使用,为激光加工技术在整个工业领域的大规模使用铺平了道路。

Reinhart Poprawe教授和他的团队一直在选择性激光熔覆(SLM)技术研究领域处于世界领先水平。SLM技术能够基于3-D CAD数据,实现定制工件(如医疗植入产品或用于机床中的功能性部件)的具有成本效益的、小批量、快速生产,做到恰如其分的满足实际需求。

2011年10月17日,中国商飞公司总经理助理兼人力资源部部长燕桦会见了来访的德国亚琛工业大学副校长、激光技术研究所所长波普哈维一行。

在会谈中,燕桦对波普哈维一行的来访表示欢迎,并介绍了公司的发展建设情况和两大型号研制进展。他表示,中国商飞公司十分感谢亚琛工业大学及激光技术研究所的支持,希望双方进一步增进交流。

波普哈维介绍了亚琛工业大学及激光技术研究所的基本情况,并表示,希望亚琛工业大学与激光技术研究所能够和中国商飞公司加强在商务、文化等领域的交流与合作。

三、柏林固体激光研究所FLI

FLI位于柏林技术大学老物理楼的FLI建于1987年,于当年10月正式开展科研工作,占地1100m2,现有科研、行政管理人员50人。所长H.Weber教授是欧洲第一台红宝石固体激光器的主研人,国际著名固体激光专家,曾多次来华访问、讲学。他在高功率固体激光器、光学谐振腔和超短激光脉冲技术等方面的著作和成就早已为我国激光界熟悉。

FLI是在德国工业界对材料加工用kW级固体激光器的需求日益增长和欧洲尤里卡计划的推动下应运而生的。早期的科研人员以Weber教授在Kalserslartern大学的研究室为基础,地址则选择在柏林这样一个科研基础、信息交流和交通运输均具优势的国际大都市,并一与实力雄厚的柏林技术大学光学研究所有机地联系在一起,集科学研究、应用开发和人材培养目标于一体,已完成和正在进行尤里卡计划EU226高功率固体激光器、ER560高功率固体激光器光束质量的提高、联邦政府研究与技术部和来自工业界的多项课题,尤以集多项基础和单元技术研究成果的高功率、高光束质量板条固体激光器和高功率、高效率管状固体激光器为代表,而与GE公司、mls公司和利弗莫尔国家实验室LLNL在这一领域争雄。

FLI是一个典型的集研究所、公司和大学为一体、在竞争中求发展、基础研究与产品开发相结合、科研工作与人材培养相结合的发展模式。为保持科研的高水平,FLI与美国、加拿大、欧洲和独联体国家都有广泛的学术交流或合作关系,我国亦相继有四位学者在该所访问工作。为获取科研经费,并使科研成果得以应用,FLI与德国政府研究部门和工业界,如Haas,Trumpf,Rofin-Sinar,Carl Zeiss等公司都有密切联系。

四、汉诺威激光中心Laser Zentrum Hannover e.V.

德国汉诺威激光中心最新开发出的基于光纤激光器的皮秒激光系统,能够满足工业应用的所有需求。该系统非常灵活,能够实现不同的设置,因为激光振荡器和放大器是分开的。根据所要加工的材料不同、以及想要达到的加工效果,该激光系统的重复频率和平均输出功率可以很容易地调节,以满足不同加工应用的需求。因此,该系统能够快速、独特地对加工步骤进行优化。

该系统采用一个输出波长为1.03μm、脉冲宽度约40ps的激光二极管作为脉冲源。脉冲重复率高度灵活,能够在50kHz~40MHz之间设置。使用一个三级放大器,脉冲功率可以从几十μW放大到平均输出功率14W。在重复频率为1MHz时,脉冲能量可达到14μJ。

该皮秒激光加工系统能够提供卓越的光束质量,并且能够抵御恶劣的生产环境,如灰尘污染、温度波动、或机械振动等。目前,该系统已经在铝和黄铜材料上实现了很好的加工效果。另外,与传统的固体激光加工系统相比,该系统结构紧凑,体积小巧。该高功率皮秒激光加工系统开创了很多新的应用领域,如铝材料的打标、硬币等硬金属材料(V70)的冲压等。

近日,汉诺威激光中心的决策层近日对该组织的章程作出了修改,并组建了新的领导班子。高级管理层由会员大会、监事会以及董事会组成。汉诺威工商总会董事长Horst Schrage博士被选为监事会主席。

负责LZH经营活动的董事会执行委员由科技委员Ing. Ludger Overmeyer博士教授、Dietmar Kracht教授以及商业执行委员Klaus Ulbrich组成。Overmeyer教授也是汉诺威大学(LUH)运输和自动化技术学院院长。

新组建的科学董事会及工业咨询委员会由来自下萨克森州等地相关行业内享有声望的科学家及高管组成。科学董事会主席Wolfgang Ertmer博士教授(Institut für Quantenoptik, LUH)及工业咨询委员会主席Volker Schmidt博士(Niedersachsenmetall)(二者均兼任LZH董事会成员)表示,这一组织变动将为行业打造一个全面的科学与商业动态交流平台。

兼收科学与工业之长的新领导层将确保LZH继续坚持其以未来为导向的研发方向。

五、应用光学和精密机械研究所IOF

去年,该所研制出一种可用于智能手机的微型LED投影仪,可以集成在智能手机内部,将手机显示屏的内容投射到外界投影面,其显示图象为标准A4纸大小,清晰度高,并可作为触屏使用。

这种投影仪的最大特点是应用了模仿昆虫的“复眼”的光学仿生技术-“Array-Projektion”。投影仪由数百个微小的光学投影单元构成,他们均可独立投射图象。系统配备的位置感应和光感应装置,可以探测到图象投射角度和投影面的外型信息,通过控制软件调节各个微小投影单元的投射角度、光线强度,并调节所投射的图象,使投影自动适应大倾角的投影和投影面凹凸不平的几何形状,实现从不同投影角度在不平整的投影面上形成高亮度、高清晰度、高保真的显示图象。同时“复眼”技术的应用可实现微型LED投影仪的超薄化。

投影图象作为触屏使用则是通过红外感应技术实现的,即在显示图象上发射不可见的红外光,通过传感器感知操作者手指的位置和运动状态,从而使投影图象实现触屏的功能。

研究人员认为,因为这种新型的投影技术所要求的数字成型技术需要非常高的像素,预计需要3-4年时间才能真正投放市场。

六、米特韦达应用科技大学

米特韦达应用科技大学创立于1867年,距今已有近一百五十年历史,是一所具有悠久传统的公立高等学府。大学创建之初主要培养机械制造工程师。进入二十世纪以后,学校又设立了飞机和汽车技术专业,后来又有了电报技术和无线电报技术专业。整个校园处于米特韦达市内,环境怡人。1900年学校发展成当时德国最大的贵族高校,并且一直持续到二战前。

今天的米特韦达大学是一所应用科技大学,学科广泛,它与世界各地的学府已经签订了一百多个合作协议,其中,该大学的激光研究所位于萨克森州中部地区。2000年被德国高校校长联合会议选为“2000年德国年度最佳高校”。

在该学校 100多年的教学历史上,已经培养了超过 70000人次的合格毕业生,他们当中有总统,世界知名企业的创建人、高层主管及优秀的科技工作者,令米特韦达的学子们引以为豪。如:

Richard Stüklen政治家,德国总统(1979- 1983)

August Horch,奥迪汽车创始人

Friedrich Opel ,欧宝汽车创始人

Walter Bruch ,通讯技术专家,彩色电视机 PAL-制式的发明人

Bernhard Schmidt ,反射式光学天文望远镜的发明人

Gerhard Neuman , Gernal Eletric的火箭推进器发明者

J.rgen Skafte Rasmussen,DKW汽车公司的创始人

七、耶拿市弗里德里希·席勒大学(Friedrich schiller Universitat Jana )

耶拿大学位于德国图林根耶拿市,创立于1558年,是德国最古老的大学之一;1934年改名为弗里德里希·席勒大学以纪念德国诗人弗里德里希·席勒。耶拿大学的光学专业历史悠久富有盛名。而德语专业硕士(DaF)则被评为德国十大最好名牌硕士专业。 到2005年为止, 耶拿大学有学生20500名,教授340名,现任校长Klaus Dicke,是大学历史上第317届校长。

耶拿是一座真正的大学城,是一个高端技术工业区(光电子学,激光应用,光学,玻璃,高品质材料,生物仪器等)。2008年耶拿市被德国国家基金委员会授予“ Jena – Science City 2008 ”荣誉称号。许多您身边来来往往的行人,就是这所大学的学生。这里美丽的欧式建筑、高科技工业和传统的哲学氛围,使这座城市散发出强烈的文化气息。图林根州位于德国中部被称为“德国的绿色心脏”,有着悠久的工业历史,早在150年前这里就诞生了光学和玻璃加工业。著名的企业有:耶拿的卡尔·蔡司光学公司(Carl-zeiss)、耶拿的玻璃加工企业 ( Schott Jena) 及埃森纳赫的欧宝汽车制造厂。该州的其它大型产业还有电气工程、玻璃工场和精密陶瓷、木材加工、纺织、服装和化学工业。图林根正在一步步走向德国和欧洲经济中心的地位。重要的行业有:汽车业:有300多个大企业;光学,光电子学,医药科技:120多家企业;机器建造,自动化科技:224家企业,目前,图州在科研领域就业的科学家、工程师和科技工作者有近5000名,已成为德国中部的高科技基地。

翻看耶拿大学的历史,众多世界名人带着他们的学术成就与耶拿大学一同成长:物理学家 Hans Busch (应用物理学教授 1922-1947 )致力于电子光学研究,发展了电子显微镜的基础原理;光学和机械师 卡尔蔡司 Carl Zeiss ,物理学家 恩斯特·卡尔·阿贝 Ernst Abbe 和玻璃化学家奥托·肖特 Otto Schott 一起合作,十九世纪末建立了合作研究所,是独特的科学和工业相结合的典范,也成就了耶拿大学在今天成为强大的科研基地。他们一起建立了世界顶级的光学仪器企业卡尔蔡司和肖特。

八、斯图加特大学(University of Stuttgart)

斯图加特大学是位于德国斯图加特的一所国立大学,创建于1829年,以技术科目闻名。斯图加特大学现有140个研究所,共5000名教职员工及20000名在校学生。亦拥有全德第一的超级计算机,及全德第一来自第三方的科研经费。

斯图加特大学坐落于德国西南部的巴登-符腾堡州(德语:Baden-Württemberg)首府斯图加特。在这里,坐落着如戴姆勒(即著名的梅赛德斯-奔驰Mercedes-Benz生产商),博世,保时捷,汉莎,BOSS,IBM,SONY,等诸多国际知名企业和多达1500家的中小企业。斯图加特大学是德国最“富”的大学之一,大学每年的总开支为3亿欧元,总经费7亿欧元,其中包括73,1%的工资开支(教授、讲师、行政人员和学生助手等),20,7%的物品支出,4,7%的投资和1,4%的补助(奖学金等)。此外,斯图加特大学也是德国TU9(最重要的九所德国理工高校联盟)的成员之一。

斯图加特大学激光(IFSW)学院成立于1986年,是世界著名的激光技术研究中心之一,它涉及整个激光技术的研究,从激光源到激光应用,从基础研究到工业技术转化。IFSW目前最主要方向激光源(特别是碟片激光),光学元件和光传输部件、光学整形,光和物质的相互反应的基础研究、以及随后发展的工业设备的应用。

2000年斯图加特大学研究人员采用二极管端面泵浦直径为5mm、厚度为224μm的Yb:YAG薄片,获得了647W的激光输出,光-光转换效率高达51%。四个薄片串接获得 了1070W的激光输出,光一光效率为48%。

2007年,斯图加特大学与DG公司合作,生产各种功率的商业用途的碟片激光器,功率从几瓦到几千瓦。

除以上介绍的激光科研机构和大学外,德国还有诸如光电微系统研究所(IPMS)、材料和射线研究所(IWS)、电子射线和等离子技术研究所(FEP)、柏林激光医疗技术研究所、耶那物理高技术研究所、德雷斯顿材料及射线技术研究所、不来梅应用射线技术研究所等激光光电研究所。

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