挑衅光玻璃世界巅峰,的最强心脏

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胡丽丽团队:将微光放大到“神光”的最强心脏

胡丽丽在检查钕玻璃成品质量。

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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。

3月22日,中科院上海光机所胡丽丽研究员主持完成的“大尺寸高性能激光钕玻璃批量制造关键技术及应用”项目获颁上海市2016年度技术发明特等奖,这是继2014年陈赛娟院士之后又一位女科学家主持的项目荣获特等奖。

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。

激光惯性约束聚变装置是实现可控核聚变的两条技术路径之一,具有重大的国家战略意义。这一装置的核心材料——激光钕玻璃的连续熔炼技术是国际上公认难度最高的光功能玻璃制备技术之一,西方发达国家长期对我国严格实施技术封锁和产品禁运。胡丽丽研究团队依靠自主创新、实现关键技术突破,为我国具备独立研发大型激光装置的能力提供重要的材料支撑。

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。

记者在上海光机所看到的这个玻璃片,长80公分,宽50公分左右,晶莹剔透。要说特别之处,它内里泛着暗红色,浅绿色的外层严丝合缝地紧紧包裹,隐隐透着一丝神秘。

钕玻璃“赋能”让激光足以引发聚变反应

它便是大名鼎鼎的“钕玻璃”——因含有稀土发光粒子,可以在“泵浦光”的激发下产生激光或对激光能量进行放大,是激光器的“心脏”。

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!

“种子光是微不足道的激光,只有纳焦耳级10-9,通过数千片大口径高品质的激光钕玻璃装置,最终将被放大到小太阳量级的兆焦耳级106”,上海光机所高功率激光单元技术中心主任胡丽丽介绍。

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。

钕玻璃性能的好坏决定了激光装置输出能量的潜力和质量。上海光机所激光钕玻璃团队经过10多年持续攻关,取得了以连续熔炼为核心的大尺寸激光钕玻璃批量制造关键技术的突破,成功应用于“神光”系列装置和超强超短激光装置。

“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。”

为国家啃下这块硬骨头

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。

中科院上海光机所1964年建所以来长期从事激光钕玻璃研发工作,先后开展了硅酸盐钕玻璃和磷酸盐激光钕玻璃的研发工作。第一代是用于高能激光系统的硅酸盐钕玻璃;第二代是用于高功率激光聚变系统“神光Ⅱ激光实验装置”的N21型磷酸盐钕玻璃。

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。”

自国家启动重大科技专项以来,对大尺寸高性能激光钕玻璃提出了更为迫切的需求。

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。

“2002年,我们还在采用单片熔炼,一年做了102片,已经是最好的记录了”,胡丽丽回忆。

制造工艺全掌握世界独此一家

而此时,单片熔制技术从产量到性能都无法满足国家需求。聚变装置对钕玻璃性能一致性提出了非常高的要求。

“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。

“数千件钕玻璃元件必须性能一致,才能保证192束激光同时打在同一点形成聚变”,胡丽丽坦言这是挑战极限的工作。

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。

美国联合日本HOYA和德国Schott两家国际顶级光学玻璃公司历时6年完成了钕玻璃连续熔炼技术研发,却对我国采取了严格的技术与产品禁运。这使得自主发展连续熔炼技术为核心的批量制造技术成为唯一解决途径。

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。

“重任来了,她敢接。”,中科院上海光机所高功率激光单元技术研发中心党支部书记徐永春觉得胆大心细是上海光机所很多科研人员的共同特质。

“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。

“离线的模拟实验和在线实验总共做了100多次。每个环节都碰到过难题。有时候的确走到了死胡同,逼着我们再去探索新的方法和路径。”,该项目第二完成人陈树彬将每一次的困难看作是解决核心问题的曙光,“再困难的时候,也没有人打退堂鼓。因为国家任务面前,我们没有退路。”,正是这样锲而不舍的精神支撑着这支团队在一连串的极限挑战中啃下了这块硬骨头。

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。

解决两大难题 掌握四项核心技术

“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。

激光聚变应用的钕玻璃是磷酸盐玻璃。这种玻璃膨胀系数大,吸水性强,对耐火材料和电极侵蚀严重。因此,激光玻璃连续熔炼需要攻克杂质控制以降低损耗、动态除羟基以满足荧光寿命指标、除铂颗粒以实现高激光通量、小流量大尺寸成型、无炸裂隧道窑退火系列相互制约的技术难题。另外,为了保证杂散光的有效吸收,需要对钕玻璃进行包边处理。原有包边胶和包边工艺易产生附加应力导致钕玻璃断裂,而且耐光热辐射性差,容易导致包边失败。

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。

针对这两大难题,研究团队展开针对性攻关,取得了四大关键核心技术的突破。

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。

通过发明连续熔炼动态除羟基技术和杂质控制技术,保障钕玻璃中羟基吸收系数达到国际领先指标;团队发明了新型包边胶和包边工艺,并研发批量包边机械化设备,实现稳定可靠包边;发明了包边剩余反射、铂颗粒检测方法,实现了钕玻璃批量制造的高效率、高精度检测技术全覆盖;上海光机所建成有中国特色的首条大尺寸磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼批量制造线,实现了大尺寸激光钕玻璃的批量生产。

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。

从隧道窑出来的钕玻璃,需要经过切割、冷却、加工,最后检验其光学性能。“比如里面有没有气泡和条纹等缺陷,如果没有,我们就要欢呼万岁了”,如今上海光机所的生产线一年能生产1200片大尺寸高性能钕玻璃,而胡丽丽和她的团队们依然会为每一块完美钕玻璃的诞生而兴奋不已,因为只有他们才能体会这背后的艰辛。

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。”

半个世纪激光钕玻璃的研制凝聚了以干福熹院士、姜中宏院士为代表的三代科学家的心血。

连续稳定支持安心攻克难关

“钕玻璃的成分、牌号、工艺在不断变化,但是精神却是传承的”,在胡丽丽眼中,最好的传承便是在前辈的基础上,不断创新,“做科研一定要做新的东西,就是要做没有人做过的事情”。

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。

正是这样敢为人先的精神一脉想成,锻炼和培养了一批多学科、工程经验丰富的老中青结合的科研骨干队伍。

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。

“我已年过半百,开始有意识地做减法,给年轻人更多的机会”,胡丽丽口中的年轻人如团队中的陈树彬、唐景平、孟涛等已成为团队中的顶梁柱,负责钕玻璃连续熔炼线与包边技术的设计与攻关。

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。

“没有他们的匠心和巧手,就不可能有完美的钕玻璃”,陈树彬感慨,正是科研人员的与技术人员数十年如一日的精诚合作,才打磨出臻于完美的钕玻璃。

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。

钕玻璃连续熔炼线一旦开始运转,将日夜不休地连续运转8到9个月。为保证各项激光科技工程任务,他们常常加班加点,春节假期也不例外。“我们的日历上不标注节日,只标注工程任务节点”,陈树彬说。

(原载于《文汇报》 2017-03-23 06版)

“在外人看来,我们可能像一群只知道工作苦行僧。可是我们也都知道,要想做成一点事情,光靠8小时是不够的”,胡丽丽谦和的笑容背后是眼底的坚毅和执着。

带着这样的坚毅与执着,中科院上海光机所钕玻璃团队将继续开创激光玻璃事业的新征程,为我国建设“小太阳”的事业做出不可或缺的贡献。

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