首页 > 科技 > 正文

我国突破大尺寸高性能激光钕玻璃制备技术

[发布日期:2017-03-29 09:23:36]

  上百束微弱的激光,经过一道道玻璃之后,能量会放大1万亿倍。最终,它们将汇聚到一点,点燃人造“小太阳”———激光惯性约束聚变装置,有望实现人类源源不断获得清洁能源的终极梦想。

  要得到这足以引发氢同位素核聚变的强大激光,就必须研制出能为激光输送能量的钕玻璃,它是大功率激光器的“心脏”。中科院上海光机所的一群科学家,为实现这个梦想,默默努力了半个世纪。

  如今,他们已经是国际上唯一掌握制作大尺寸高性能激光钕玻璃全过程工艺的团队。昨天,他们捧得了2016年度上海市技术发明特等奖。

  钕玻璃“赋能”让激光足以引发聚变反应

  钕玻璃研究历经半个世纪,经历了4次技术迭代,走出了两位中科院院士。团队成员始终怀揣着一个信念:再难,也要做出来!

  1焦耳的能量,可以让1瓦的灯泡正常发光1秒。1纳焦耳,只有1焦耳的十亿分之一,这个能量级别的激光,微弱得几乎无法察觉。然而,经过一两千片吸收了能量的钕玻璃“赋能”,这束微光将强大到引发聚变反应。

  “钕玻璃很奇特,在氙灯的照射下,钕离子会吸收光的能量,从低能状态跃迁到高能状态。”钕玻璃项目负责人、光机所研究员胡丽丽解释,当激光穿过能量满满的钕玻璃时,就会吸收玻璃中的能量而变强,“数千片激光钕玻璃在装置中,反复为激光‘接力’,最终让激光达到科学家的需求。”

  这强大的激光,可以助力科学家进行高能量密度物理基础研究,创造了激光瞬时输出功率世界纪录的浦东张江超强超短激光装置中,也用到钕玻璃阵列;激光钕玻璃也可用于聚变研究,我国的“神光”装置就是世界上性能最好的聚变“点火器”之一。

  从1964年起,上海光机所就开始了钕玻璃的研究,并走出了干福熹、姜中宏两位中科院院士,团队成员目前稳定在80多人。从第一代硅酸盐钕玻璃,到现在磷酸盐钕玻璃,整整经历了4次技术的代际提升。胡丽丽说,与硅酸盐钕玻璃相比,磷酸盐钕玻璃十分“娇气”:使用时,温度、湿度都要精准控制,不然玻璃会发霉,熔炼时也非常困难,“可它的能量放大能力是硅酸盐钕玻璃的10倍,大功率激光装置离不开它。”

  再难,也要做出来! 没有它,我国激光科学冲击世界前沿将只能是纸上谈兵。

\

胡丽丽在检查钕玻璃成品质量

  

  

  制造工艺全掌握世界独此一家

  

  

  “攻克”两个字的背后,是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。伴随结婚生子的人生历程,年轻人把要攻关的技术当成了另一个孩子。

  磷酸盐钕玻璃为何难造? 它要同时满足28个技术参数,几乎每一个都是一道难跨越的坎:高纯度的原料既容易吸水,又“性格”活泼,连生性“懒惰”的白金都会被它“拉”下马。而激光钕玻璃中,又容不得杂质的存在。大功率激光装置动辄需要上千片钕玻璃,它们必须规格性能一模一样,才能让两三百路激光最终精准汇聚到仅有毫米量级的靶点上。

  按照传统方法,熔炼出一片钕玻璃平均需要两天。早在上世纪90年代,美国、日本、德国3家公司共同投入研发,花了6年时间,掌握了钕玻璃连续熔炼技术。

  “中国买不到国外的钕玻璃,也得不到相关技术,国外对我们禁运。”胡丽丽说,要让中国科研走到世界最前端,只有自己突破这个“卡脖子”的难关。

  2002年,在国家科技重大专项的支持下,胡丽丽率领团队,开始了攻克钕玻璃的连续熔炼技术的征程。

  “这真是太难了!”胡丽丽说,它挑战了光学玻璃连续熔炼的极限,尺寸大、指标要求多且极高。

  除水、除白金、除杂质……每道关口都得花上两三年才能攻克。而这“攻克”两个字的背后,则是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。“整个团队连续7年,连春节假期都放弃了。”胡丽丽说,只有当约1米长、半米宽的紫红色玻璃走下生产线并检测合格时,大家的心里才会生出一丝轻松。

  纯净的紫红色玻璃,包裹着一圈淡绿色的玻璃包边,钕玻璃美得应该放在少女梳妆台前。然而,在专业人士眼中,那是一个完整的光学器件———连粘结两种玻璃用的胶水,都必须严格符合钕玻璃的技术参数。

  项目第二完成人、光机所正高级工程师陈树彬解释,钕玻璃在接收能量之后,会产生一些杂乱的光散射,包边玻璃不仅要能吸收“杂光”,还要能消除应力,不然钕玻璃就会碎裂。

  每一个细小之处,都决定着整个研制过程的成败。“这个团队里,好多小伙子一毕业就加入进来,十几年钻在一门技术里,真是做到了极致。”胡丽丽说,有些人年纪轻轻就已经花白了头发,“伴随结婚生子的人生历程,他们把自己要攻关的技术当成了另一个孩子。”

  连续稳定支持安心攻克难关

  让团队倍感欣慰的是,这么多年来,从没有为经费和实验场地发过愁。有了安心做科研的环境,才能做成这件大事。

  走进光机所嘉定北区的一幢大楼,世界上唯一一条大口径高品质钕玻璃连续熔炼生产线,正在为下一次开工做准备。这条生产线一年可产出钕玻璃1200片。陈树彬说,与手工单片制作钕玻璃的时代相比,现在的生产效率提升了10倍,成品率也大幅提升。

  数年前,国际上已有机构找到光机所,希望购买产品。“当他们知道中国一家科研机构就掌握了全套生产工艺,产品指标全优,除了佩服,还是佩服。”光机所科研处处长贺洪波说,钕玻璃的直接销售额目前已达3.76亿元,它在高技术领域所打开的局面,其影响深远是难以估量的。

  胡丽丽感觉非常欣慰的是,在国家科技重大专项、国家工信部、上海市经信委的支持下,这么多年来,团队从没有为经费发过愁。“光机所也尽可能优先为我们提供更好的实验场地。”她说,有了安心做研究的环境,才能做成这件大事。

来源:建筑玻璃与工业玻璃