全球首发！超强激光赋能精密零件缺陷检测

你能否想象，未来，飞机和汽车工程师们，只需按下一个扫描按钮，就能在不拆卸如何部件的前提下，让火箭发动机、飞机涡轮叶片甚至核聚变装置的内部结构纤毫毕现？近日，科罗拉多州立大学研究团队，用一场“光与电的极限碰撞”，在全球范围内首次实现了这一近乎科幻的应用场景：利用300太瓦超强激光驱动微型X射线源，成功对镍基合金涡轮叶片（密度超钢铁3倍）进行了亚毫米级3D扫描！因具备较强的技术创新性及应用价值，这项登上Optica的研究，一经发表便得到了大量关注。

成像精度碾压传统工业CT设备，高能激光如何修得“火眼金睛”？

作为一种发端于医疗领域的无损探伤技术，计算机断层成像 (CT) 能够基于X射线等具有较强穿透能力的光源，结合计算机算法，对扫描物体内部三维结构做出精准呈现。随着精密制造领域的不断发展，CT技术也被作为一种高效的无损探伤技术，应用于对高精度金属零件（例如航空器涡轮叶片、汽车骨架铸件及芯片焊点等）加工缺陷的检测中。而与医用CT技术不同，工业CT设备需要穿透更厚的金属零件，这就意味着X射线的传播，需要经过衰减系数更大、密度和厚度更高的介质，在这种情况下，仍想保持对物体较强的穿透能力，只有提升X射线光子能量（数百keV至MeV量级）一条技术路线可以选择。

图1 基于X射线的CT扫描技术，已在工业界获得用武之地

（图源：nelpretech.com）

随着现代物理学家对以粒子为单位微观世界探索过程的不断深入，各型电子加速器在几十年内纷纷涌现。受制于材料损伤阈值的限制，传统的直线粒子加速器最高只能实现100 MV/m的加速梯度，而基于超强飞秒激光的粒子加速装置，则可将加速梯度提升至数百GV/m的水平。加速梯度提升所带来最直观影响，就是大大缩小了加速器所占用的物理空间，这也将粒子加速设备带入了桌面化的时代。此外，相较于传统粒子加速器动辄数百乃至上千亿的造价，激光粒子加速器也具备显著的经济效益。

图2 研究人员正在ATLAS激光装置上观察高能激光等离子体

（图源：optics.org）

正因具备极高的加速梯度，基于超强激光的粒子加速器才能够在X射线光子能量方面，“碾压”依靠强脉冲电子束轰击靶材产生高能电子的工业用X射线发生源。在本文所介绍的工作中，来自美国科罗拉多州立大学的Reed Hollinger教授联合洛斯阿拉莫斯国家实验室，以离轴抛面镜聚焦的方式，将靶材处超强飞秒激光功率密度提升至拍瓦量级 (10²¹ W/cm²)，进而轻松获得了MeV量级的X射线电子束流。

激光驱动X射线工业成像设备：更快、更准、更高效

工欲善其事，必先利其器，想要获得高电子能量的X射线束流，首先需要考虑具有较高峰值功率前端光源的选择。在本文所介绍的工作中，该研究团队选择科罗拉多州立大学自建的ATLAS激光装置作为前端光源。

图3 ATLAS激光系统示意图：上半部分为激光器放大、倍频及靶室光路示意图；下半部分为泵浦激光光路原理示意图

如图3所示，该光源以钛宝石激光器作为振荡器，输出脉冲经过展宽后，在多级泵浦激光的放大作用下，单脉冲能量最终能够达到25.4 J的极高水准，而脉冲宽度也可被控制在30 fs的极窄水平下。在本文所介绍的工作中，该团队将此台激光器输出的重复频率降低至0.5 Hz，同时去除了倍频模块，仅依靠800 nm基频激光来产生X射线，具体的光路搭建方式如图4 (a)所示。基于轫致辐射产生原理，该团队获得了能量峰值介于1-2 MeV之间，截止能量19 MeV的高能X射线束流（如图4 (b)）。

图4 MeV量级X射线发射源：(a) 装置示意图;  (b) X射线光谱图

相较于一般的工业CT扫描设备，除了极高光子能量所带来的透视深度，该工作所具备的其他优势还包括：更高的空间及时间分辨能力。空间分辨率的优化，得益于该团队对于半影模糊的优化以及对成像倍率的提升；而时间分辨能力的引入，则是激光驱动所产生X射线皮秒量级脉宽的作用。如图5所示，该团队对镍高温合金涡轮机叶片进行了亚毫米分辨率的断层摄影重建，在此过程中，该团队以0.33°为步长，对涡轮机进行旋转成像，在旋转720°后，该团队得到了2160张清晰的图像，基于这些图像，涡轮机内部构造得以被重构。据边缘拓展函数分析显示，该设备能够对叶片最厚部位，实现0.65 mm结构的精确分辨，成像体素尺寸仅为80 μm，且具备极高的信噪比。

图5 X射线成像效果测试：(a) 带有散热通道的涡轮机断层切面; (b) 涡轮机叶片垂直断层切片; (c) 在(b)基础上旋转90°所得到的图像; (d) 对涡轮机下半部分的三维构建; (e) 对含有散热通道涡轮机叶片的三维构建

此外，该团队还对一个高速旋转的分子泵进行了扫描，得到了具有时间分辨的扫描图谱，进而证明了该设备的时间分辨能力（如图6）。对此，Reed Hollinger教授本人补充到：“由于单个X射线脉冲的脉宽仅为皮秒量级，未来我们甚至可以捕捉喷气引擎运行时的内部动态影像，这是现有技术无法实现的。”

图6 基于高能X射线对高速旋转的分子泵进行成像测试（6倍速展示）

总结

作为超强激光赋能工业应用的又一典例，基于飞秒激光加速的高能X射线CT成像技术，将获得前所未有的成像质量，并具备时间分辨扫描能力。目前，该研究团队已经实现了该成像技术的原理性验证，并获得了较为理想的实验结果。未来，该团队也将从驱动激光的重复频率入手，提升扫描过程的频率，实现金属物体的高速扫描，优化扫描效率。“这项工作只是开始”，Hollinger强调，“我们的目标是让激光成像技术像智能手机一样普及，彻底改变工业检测逻辑。”

资讯来源：

US researchers capture first laser-based CT scans of dense objects

参考论文：

[1] Yong Wang, Shoujun Wang, Alex Rockwood, Bradley M. Luther, Reed Hollinger, Alden Curtis, Chase Calvi, Carmen S. Menoni, and Jorge J. Rocca, "0.85 PW laser operation at 3.3 Hz and high-contrast ultrahigh-intensity λ = 400 nm second-harmonic beamline," Opt. Lett. 42, 3828-3831 (2017).

[2] Reed Hollinger, Shoujun Wang, Sina Zahedpour Anaraki, James King, Ping Zhang, Ghassan Zeraouli, Alejandro Figueroa Bengoa, Matt Sheats, Shannon Scott, Joel Heidemann, James Hunter, Yong Wang, Ray Edwards, Matt Faulkner, Chris Aedy, Jorge J. Rocca, and Donald C. Gautier, "Laser-driven high-resolution MeV x-ray tomography," Optica 12, 433-436 (2025)