激光器“心臟”挑戰(zhàn)光玻璃世界極限

上百束微弱的激光，經(jīng)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(xiàn)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(fā)氫同位素核聚變的強(qiáng)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(jī)所的一群科學(xué)家，為實現(xiàn)這個夢想，默默努力了半個世紀(jì)。

如今，他們已經(jīng)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(tuán)隊。昨天，他們捧得了2016年度上海市技術(shù)發(fā)明特等獎。

釹玻璃“賦能”讓激光足以引發(fā)聚變反應(yīng)

釹玻璃研究歷經(jīng)半個世紀(jì)，經(jīng)歷了4次技術(shù)迭代，走出了兩位中科院院士。團(tuán)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(fā)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(jīng)過一兩千片吸收了能量的釹玻璃“賦能”，這束微光將強(qiáng)大到引發(fā)聚變反應(yīng)。

“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(tài)躍遷到高能狀態(tài)。”釹玻璃項目負(fù)責(zé)人、光機(jī)所研究員胡麗麗解釋，當(dāng)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(qiáng)，“數(shù)千片激光釹玻璃在裝置中，反復(fù)為激光‘接力’，最終讓激光達(dá)到科學(xué)家的需求。”

這強(qiáng)大的激光，可以助力科學(xué)家進(jìn)行高能量密度物理基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造了激光瞬時輸出功率世界紀(jì)錄的浦東張江超強(qiáng)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(jī)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(tuán)隊成員目前穩(wěn)定在80多人。從第一代硅酸鹽釹玻璃，到現(xiàn)在磷酸鹽釹玻璃，整整經(jīng)歷了4次技術(shù)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(zhǔn)控制，不然玻璃會發(fā)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(xué)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(shù)個緊急會議和被放棄的休息日。伴隨結(jié)婚生子的人生歷程，年輕人把要攻關(guān)的技術(shù)當(dāng)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(shù)參數(shù)，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(zhì)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(guī)格性能一模一樣，才能讓兩三百路激光最終精準(zhǔn)匯聚到僅有毫米量級的靶點上。

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

“中國買不到國外的釹玻璃，也得不到相關(guān)技術(shù)，國外對我們禁運?！焙慃愓f，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(guān)。

2002年，在國家科技重大專項的支持下，胡麗麗率領(lǐng)團(tuán)隊，開始了攻克釹玻璃的連續(xù)熔煉技術(shù)的征程。

“這真是太難了!”胡麗麗說，它挑戰(zhàn)了光學(xué)玻璃連續(xù)熔煉的極限，尺寸大、指標(biāo)要求多且極高。

除水、除白金、除雜質(zhì)……每道關(guān)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(shù)個緊急會議和被放棄的休息日?！罢麄€團(tuán)隊連續(xù)7年，連春節(jié)假期都放棄了?！焙慃愓f，只有當(dāng)約1米長、半米寬的紫紅色玻璃走下生產(chǎn)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(yīng)該放在少女梳妝臺前。然而，在專業(yè)人士眼中，那是一個完整的光學(xué)器件———連粘結(jié)兩種玻璃用的膠水，都必須嚴(yán)格符合釹玻璃的技術(shù)參數(shù)。

項目第二完成人、光機(jī)所正高級工程師陳樹彬解釋，釹玻璃在接收能量之后，會產(chǎn)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(yīng)力，不然釹玻璃就會碎裂。

每一個細(xì)小之處，都決定著整個研制過程的成敗。“這個團(tuán)隊里，好多小伙子一畢業(yè)就加入進(jìn)來，十幾年鉆在一門技術(shù)里，真是做到了極致?！焙慃愓f，有些人年紀(jì)輕輕就已經(jīng)花白了頭發(fā)，“伴隨結(jié)婚生子的人生歷程，他們把自己要攻關(guān)的技術(shù)當(dāng)成了另一個孩子?！?/p>

連續(xù)穩(wěn)定支持安心攻克難關(guān)

讓團(tuán)隊倍感欣慰的是，這么多年來，從沒有為經(jīng)費和實驗場地發(fā)過愁。有了安心做科研的環(huán)境，才能做成這件大事。

走進(jìn)光機(jī)所嘉定北區(qū)的一幢大樓，世界上唯一一條大口徑高品質(zhì)釹玻璃連續(xù)熔煉生產(chǎn)線，正在為下一次開工做準(zhǔn)備。這條生產(chǎn)線一年可產(chǎn)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(xiàn)在的生產(chǎn)效率提升了10倍，成品率也大幅提升。

數(shù)年前，國際上已有機(jī)構(gòu)找到光機(jī)所，希望購買產(chǎn)品?！爱?dāng)他們知道中國一家科研機(jī)構(gòu)就掌握了全套生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品指標(biāo)全優(yōu)，除了佩服，還是佩服?！惫鈾C(jī)所科研處處長賀洪波說，釹玻璃的直接銷售額目前已達(dá)3.76億元，它在高技術(shù)領(lǐng)域所打開的局面，其影響深遠(yuǎn)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(jīng)信委的支持下，這么多年來，團(tuán)隊從沒有為經(jīng)費發(fā)過愁?！肮鈾C(jī)所也盡可能優(yōu)先為我們提供更好的實驗場地?！彼f，有了安心做研究的環(huán)境，才能做成這件大事。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。