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中科院上海光機所激光釹玻璃挑戰光玻璃世界極限

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胡麗麗在檢查釹玻璃成品質量。(攝影/趙侃)

上百束微弱的激光,經過一道道玻璃之后,能量會放大1萬億倍。最終,它們將匯聚到一點,點燃人造“小太陽”———激光慣性約束聚變裝置,有望實現人類源源不斷獲得清潔能源的終極夢想。

要得到這足以引發氫同位素核聚變的強大激光,就必須研制出能為激光輸送能量的釹玻璃,它是大功率激光器的“心臟”。中科院上海光機所的一群科學家,為實現這個夢想,默默努力了半個世紀。

如今,他們已經是國際上唯一掌握制作大尺寸高性能激光釹玻璃全過程工藝的團隊。昨天,他們捧得了2016年度上海市技術發明特等獎。

釹玻璃“賦能”讓激光足以引發聚變反應

釹玻璃研究歷經半個世紀,經歷了4次技術迭代,走出了兩位中科院院士。團隊成員始終懷揣著一個信念:再難,也要做出來!

1焦耳的能量,可以讓1瓦的燈泡正常發光1秒。1納焦耳,只有1焦耳的十億分之一,這個能量級別的激光,微弱得幾乎無法察覺。然而,經過一兩千片吸收了能量的釹玻璃“賦能”,這束微光將強大到引發聚變反應。

“釹玻璃很奇特,在氙燈的照射下,釹離子會吸收光的能量,從低能狀態躍遷到高能狀態。”釹玻璃項目負責人、光機所研究員胡麗麗解釋,當激光穿過能量滿滿的釹玻璃時,就會吸收玻璃中的能量而變強,“數千片激光釹玻璃在裝置中,反復為激光‘接力’,最終讓激光達到科學家的需求。”

這強大的激光,可以助力科學家進行高能量密度物理基礎研究,創造了激光瞬時輸出功率世界紀錄的浦東張江超強超短激光裝置中,也用到釹玻璃陣列;激光釹玻璃也可用于聚變研究,我國的“神光”裝置就是世界上性能最好的聚變“點火器”之一。

從1964年起,上海光機所就開始了釹玻璃的研究,并走出了干福熹、姜中宏兩位中科院院士,團隊成員目前穩定在80多人。從第一代硅酸鹽釹玻璃,到現在磷酸鹽釹玻璃,整整經歷了4次技術的代際提升。胡麗麗說,與硅酸鹽釹玻璃相比,磷酸鹽釹玻璃十分“嬌氣”:使用時,溫度、濕度都要精準控制,不然玻璃會發霉,熔煉時也非常困難,“可它的能量放大能力是硅酸鹽釹玻璃的10倍,大功率激光裝置離不開它。”

再難,也要做出來! 沒有它,我國激光科學沖擊世界前沿將只能是紙上談兵。

制造工藝全掌握世界獨此一家

“攻克”兩個字的背后,是徹夜難眠的思索、一次次失敗之后從頭再來、無數個緊急會議和被放棄的休息日。伴隨結婚生子的人生歷程,年輕人把要攻關的技術當成了另一個孩子。

磷酸鹽釹玻璃為何難造? 它要同時滿足28個技術參數,幾乎每一個都是一道難跨越的坎:高純度的原料既容易吸水,又“性格”活潑,連生性“懶惰”的白金都會被它“拉”下馬。而激光釹玻璃中,又容不得雜質的存在。大功率激光裝置動輒需要上千片釹玻璃,它們必須規格性能一模一樣,才能讓兩三百路激光最終精準匯聚到僅有毫米量級的靶點上。

按照傳統方法,熔煉出一片釹玻璃平均需要兩天。早在上世紀90年代,美國、日本、德國3家公司共同投入研發,花了6年時間,掌握了釹玻璃連續熔煉技術。

“中國買不到國外的釹玻璃,也得不到相關技術,國外對我們禁運。”胡麗麗說,要讓中國科研走到世界最前端,只有自己突破這個“卡脖子”的難關。

2002年,在國家科技重大專項的支持下,胡麗麗率領團隊,開始了攻克釹玻璃的連續熔煉技術的征程。

“這真是太難了!”胡麗麗說,它挑戰了光學玻璃連續熔煉的極限,尺寸大、指標要求多且極高。

除水、除白金、除雜質……每道關口都得花上兩三年才能攻克。而這“攻克”兩個字的背后,則是徹夜難眠的思索、一次次失敗之后從頭再來、無數個緊急會議和被放棄的休息日。“整個團隊連續7年,連春節假期都放棄了。”胡麗麗說,只有當約1米長、半米寬的紫紅色玻璃走下生產線并檢測合格時,大家的心里才會生出一絲輕松。

純凈的紫紅色玻璃,包裹著一圈淡綠色的玻璃包邊,釹玻璃美得應該放在少女梳妝臺前。然而,在專業人士眼中,那是一個完整的光學器件———連粘結兩種玻璃用的膠水,都必須嚴格符合釹玻璃的技術參數。

項目第二完成人、光機所正高級工程師陳樹彬解釋,釹玻璃在接收能量之后,會產生一些雜亂的光散射,包邊玻璃不僅要能吸收“雜光”,還要能消除應力,不然釹玻璃就會碎裂。

每一個細小之處,都決定著整個研制過程的成敗。“這個團隊里,好多小伙子一畢業就加入進來,十幾年鉆在一門技術里,真是做到了極致。”胡麗麗說,有些人年紀輕輕就已經花白了頭發,“伴隨結婚生子的人生歷程,他們把自己要攻關的技術當成了另一個孩子。”

連續穩定支持安心攻克難關

讓團隊倍感欣慰的是,這么多年來,從沒有為經費和實驗場地發過愁。有了安心做科研的環境,才能做成這件大事。

走進光機所嘉定北區的一幢大樓,世界上唯一一條大口徑高品質釹玻璃連續熔煉生產線,正在為下一次開工做準備。這條生產線一年可產出釹玻璃1200片。陳樹彬說,與手工單片制作釹玻璃的時代相比,現在的生產效率提升了10倍,成品率也大幅提升。

數年前,國際上已有機構找到光機所,希望購買產品。“當他們知道中國一家科研機構就掌握了全套生產工藝,產品指標全優,除了佩服,還是佩服。”光機所科研處處長賀洪波說,釹玻璃的直接銷售額目前已達3.76億元,它在高技術領域所打開的局面,其影響深遠是難以估量的。

胡麗麗感覺非常欣慰的是,在國家科技重大專項、國家工信部、上海市經信委的支持下,這么多年來,團隊從沒有為經費發過愁。“光機所也盡可能優先為我們提供更好的實驗場地。”她說,有了安心做研究的環境,才能做成這件大事。

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責任編輯: 閆月

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