3月22日，中科院上海光機所胡麗麗研究員主持完成的“大尺寸高性能激光釹玻璃批量制造關鍵技術及應用”項目獲頒上海市2016年度技術發(fā)明特等獎，這是繼2014年陳賽娟院士之后又一位女科學家主持的項目榮獲特等獎。
激光慣性約束聚變裝置是實現(xiàn)可控核聚變的兩條技術路徑之一，具有重大的國家戰(zhàn)略意義。這一裝置的核心材料——激光釹玻璃的連續(xù)熔煉技術是國際上公認難度最高的光功能玻璃制備技術之一，西方發(fā)達國家長期對我國嚴格實施技術封鎖和產品禁運。胡麗麗研究團隊依靠自主創(chuàng)新、實現(xiàn)關鍵技術突破，為我國具備獨立研發(fā)大型激光裝置的能力提供重要的材料支撐。
記者在上海光機所看到的這個玻璃片，長80公分，寬50公分左右，晶瑩剔透。要說特別之處，它內里泛著暗紅色，淺綠色的外層嚴絲合縫地緊緊包裹，隱隱透著一絲神秘。
它便是大名鼎鼎的“釹玻璃”——因含有稀土發(fā)光粒子，可以在“泵浦光”的激發(fā)下產生激光或對激光能量進行放大，是激光器的“心臟”。
“種子光是微不足道的激光，只有納焦耳級10-9，通過數(shù)千片大口徑高品質的激光釹玻璃裝置，最終將被放大到小太陽量級的兆焦耳級106”，上海光機所高功率激光單元技術中心主任胡麗麗介紹。
釹玻璃性能的好壞決定了激光裝置輸出能量的潛力和質量。上海光機所激光釹玻璃團隊經過10多年持續(xù)攻關，取得了以連續(xù)熔煉為核心的大尺寸激光釹玻璃批量制造關鍵技術的突破，成功應用于“神光”系列裝置和超強超短激光裝置。
為國家啃下這塊硬骨頭
中科院上海光機所1964年建所以來長期從事激光釹玻璃研發(fā)工作，先后開展了硅酸鹽釹玻璃和磷酸鹽激光釹玻璃的研發(fā)工作。第一代是用于高能激光系統(tǒng)的硅酸鹽釹玻璃；第二代是用于高功率激光聚變系統(tǒng)“神光Ⅱ激光實驗裝置”的N21型磷酸鹽釹玻璃。
自國家啟動重大科技專項以來，對大尺寸高性能激光釹玻璃提出了更為迫切的需求。
“2002年，我們還在采用單片熔煉，一年做了102片，已經是最好的記錄了”，胡麗麗回憶。
而此時，單片熔制技術從產量到性能都無法滿足國家需求。聚變裝置對釹玻璃性能一致性提出了非常高的要求。
“數(shù)千件釹玻璃元件必須性能一致，才能保證192束激光同時打在同一點形成聚變”，胡麗麗坦言這是挑戰(zhàn)極限的工作。
美國聯(lián)合日本HOYA和德國Schott兩家國際頂級光學玻璃公司歷時6年完成了釹玻璃連續(xù)熔煉技術研發(fā)，卻對我國采取了嚴格的技術與產品禁運。這使得自主發(fā)展連續(xù)熔煉技術為核心的批量制造技術成為唯一解決途徑。
“重任來了，她敢接。”，中科院上海光機所高功率激光單元技術研發(fā)中心黨支部書記徐永春覺得膽大心細是上海光機所很多科研人員的共同特質。
“離線的模擬實驗和在線實驗總共做了100多次。每個環(huán)節(jié)都碰到過難題。有時候的確走到了死胡同，逼著我們再去探索新的方法和路徑。”，該項目第二完成人陳樹彬將每一次的困難看作是解決核心問題的曙光，“再困難的時候，也沒有人打退堂鼓。因為國家任務面前，我們沒有退路。”，正是這樣鍥而不舍的精神支撐著這支團隊在一連串的極限挑戰(zhàn)中啃下了這塊硬骨頭。
解決兩大難題 掌握四項核心技術
激光聚變應用的釹玻璃是磷酸鹽玻璃。這種玻璃膨脹系數(shù)大，吸水性強，對耐火材料和電極侵蝕嚴重。因此，激光玻璃連續(xù)熔煉需要攻克雜質控制以降低損耗、動態(tài)除羥基以滿足熒光壽命指標、除鉑顆粒以實現(xiàn)高激光通量、小流量大尺寸成型、無炸裂隧道窯退火系列相互制約的技術難題。另外，為了保證雜散光的有效吸收，需要對釹玻璃進行包邊處理。原有包邊膠和包邊工藝易產生附加應力導致釹玻璃斷裂，而且耐光熱輻射性差，容易導致包邊失敗。
針對這兩大難題，研究團隊展開針對性攻關，取得了四大關鍵核心技術的突破。
通過發(fā)明連續(xù)熔煉動態(tài)除羥基技術和雜質控制技術，保障釹玻璃中羥基吸收系數(shù)達到國際領先指標；團隊發(fā)明了新型包邊膠和包邊工藝，并研發(fā)批量包邊機械化設備，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠包邊；發(fā)明了包邊剩余反射、鉑顆粒檢測方法，實現(xiàn)了釹玻璃批量制造的高效率、高精度檢測技術全覆蓋；上海光機所建成有中國特色的首條大尺寸磷酸鹽激光釹玻璃連續(xù)熔煉批量制造線，實現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃的批量生產。
從隧道窯出來的釹玻璃，需要經過切割、冷卻、加工，最后檢驗其光學性能。“比如里面有沒有氣泡和條紋等缺陷，如果沒有，我們就要歡呼萬歲了”，如今上海光機所的生產線一年能生產1200片大尺寸高性能釹玻璃，而胡麗麗和她的團隊們依然會為每一塊完美釹玻璃的誕生而興奮不已，因為只有他們才能體會這背后的艱辛。
創(chuàng)新是最好的傳承
半個世紀激光釹玻璃的研制凝聚了以干福熹院士、姜中宏院士為代表的三代科學家的心血。
“釹玻璃的成分、牌號、工藝在不斷變化，但是精神卻是傳承的”，在胡麗麗眼中，最好的傳承便是在前輩的基礎上，不斷創(chuàng)新，“做科研一定要做新的東西，就是要做沒有人做過的事情”。
正是這樣敢為人先的精神一脈想成，鍛煉和培養(yǎng)了一批多學科、工程經驗豐富的老中青結合的科研骨干隊伍。
“我已年過半百，開始有意識地做減法，給年輕人更多的機會”，胡麗麗口中的年輕人如團隊中的陳樹彬、唐景平、孟濤等已成為團隊中的頂梁柱，負責釹玻璃連續(xù)熔煉線與包邊技術的設計與攻關。
“沒有他們的匠心和巧手，就不可能有完美的釹玻璃”，陳樹彬感慨，正是科研人員的與技術人員數(shù)十年如一日的精誠合作，才打磨出臻于完美的釹玻璃。
釹玻璃連續(xù)熔煉線一旦開始運轉，將日夜不休地連續(xù)運轉8到9個月。為保證各項激光科技工程任務，他們常常加班加點，春節(jié)假期也不例外。“我們的日歷上不標注節(jié)日，只標注工程任務節(jié)點”，陳樹彬說。
“在外人看來，我們可能像一群只知道工作苦行僧。可是我們也都知道，要想做成一點事情，光靠8小時是不夠的”，胡麗麗謙和的笑容背后是眼底的堅毅和執(zhí)著。
帶著這樣的堅毅與執(zhí)著，中科院上海光機所釹玻璃團隊將繼續(xù)開創(chuàng)激光玻璃事業(yè)的新征程，為我國建設“小太陽”的事業(yè)做出不可或缺的貢獻。
