激光反射薄膜元件

  10月9日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室传来了2018年基频激光反射薄膜元件激光损伤阈值国际竞赛结果:中科院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室研制的激光反射薄膜元件,在来自6个国家的18家参赛单位中,损伤阈值以领先第二名20%的优势再次摘得桂冠。该实验室学术总顾问范正修说,这样的领先很难逾越。

  据悉,2012年上海光机所薄膜光学实验室也曾夺冠。此后由于忙于国家任务,上海光机所未再参与这一国际比赛。今年适逢SPIE激光损伤年会五十周年这一盛事,上海光机所再度参赛。从2008年第一次参与该国际竞赛到领先国际同行,我国科学家花了11年。

  当今世界上规模最大的激光聚变装置是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的美国国家点火装置,其中有数千件米级尺寸薄膜元件和数万件中小口径薄膜元件。

  高功率激光薄膜是构成激光聚变装置、超强超短激光等强激光系统不可或缺的元件。高功率激光反射薄膜是唯一能迫使只知道直线前行的强激光按照人类的想法“万宗归一”的独门元件。它不但需要抵挡住“所向无敌”的高能激光的冲击,保障高功率激光装置不会“自伤”,还要高效地“指挥”激光的方向,使将入射到它表面的激光完全按照人们的意愿,有次序地奔赴同一靶点。激光损伤阈值代表着这个元件“控制指挥”激光的能力,其数值大小决定着能不能把激光能量完整地护送到靶点。

  10月10日,记者在薄膜光学实验室看到,薄如蝉翼的激光薄膜,附着在透明的玻璃基底上,肉眼几乎辨识不出,只有从侧面看过去,才能依稀看出一些色彩。

  “要提升这一薄膜的激光损伤阈值,面临两大技术挑战。一是要知道缺陷在哪里,二是要抑制缺陷。”该项目负责人朱美萍研究员介绍说,高功率激光薄膜的制备是一个工艺环节冗长、复杂的系统工程,包括薄膜设计理论、高纯原材料控制、光学表面超精密加工、纳米精度膜厚控制、薄膜应力控制技术、检测技术以及激光与薄膜态材料相互作用机理等研究内容,其中尤其以缺陷的全流程控制的难度为最,涉及多学科交叉,极其复杂,难度极大,而且西方国家对我国实施技术封锁,并禁运直径大于500毫米的高性能激光薄膜元件。

  作为激光技术发展的支撑基础,上海光机所薄膜光学实验室紧紧聚焦大能量与高功率激光这个国家重大战略需求,攻坚克难,提出并逐步完善了激光薄膜研制全流程控制的系统工程解决方案,攻克了包括激光缺陷探测技术、基板缺陷缝合技术等系列关键技术难题,突破性提升了薄膜元件激光损伤阈值,并成功建立了应用基础研究、关键技术攻关与工程应用的自主创新生态链,取得了具有自主知识产权的重大创新成果。

  作为唯一供货单位,上海光机所薄膜光学实验室为我国神光系列装置提供了所有激光偏振薄膜元件,支撑神光装置输出能量从单束3000焦耳提升到了17600焦耳。该实验室还支撑上海超强超短激光装置实现了10拍瓦国际最高激光放大输出功率,使我国在该领域占据国际制高点,并将继续支撑100拍瓦装置的建设。同时,这一激光薄膜反射元件还成功应用于神舟与天宫交会对接系统和多项空间型号工程任务,简化了光路结构,降低了载荷重量。

  “在国际范围内的激光薄膜损伤阈值提升竞争中,面对西方的技术封锁,数十年如一日,从跟跑、并跑,终于在国际范围内的激光薄膜损伤阈值提升竞争中实现超越,并通过本次竞赛的绝对优势强化了我国在本领域的国际领先地位。”学术带头人、该所党委书记邵建达自豪地说,这是一支完全由中国自主培养的团队。

  当天,记者见到了上海光机所薄膜光学实验室的四代负责人。

  第一代负责人是年近80岁的范正修研究员,尽管已经退休,仍然每天坚持骑车来“上班”。他说,“我从1964年进所那天起,就开始干这个活”。1964年,上海光机所第八研究室的镀膜组成立,这也是我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队。

  范正修经常说的一句话是,队伍不能散。只要一有科研经费,就优先用来买设备,就算买不起整台设备,就先买一个部件。曾经有公司高薪聘请他,但他却甘于在实验室里作研究。“如果我们只是提供服务,充其量就是一个技术工厂。”

  他坚持把每一个项目当成科学问题来做,使得相关学科得到了良性发展。令他特别欣慰的是,“半个多世纪过去了,队伍不仅没有散,还从当初不到10人,发展到了现在的100多人,从上世纪80年代中期以来培养将近200位研究生,国内大部分从事激光薄膜工作的人都来上海光机所接受过培训”。

  邵建达研究员是该实验室第二代负责人。“解决‘卡脖子’的技术问题,关键要发展学科,要有系统工程思想,而不是简单的项目制,否则项目结束了,队伍也就散了。”要提高神光装置的输出能量,首先就是要提高激光薄膜的质量。过去,镀膜材料金属铪依靠进口,但由于其纯度不高,里面含铁,往往激光一打就坏掉了。该实验室积极促成国内其他单位对这一材料进行研发,解决了这一难题。“有了金属铪,并不意味着薄膜的质量就一定会提高。”邵建达告诉记者,这次参加比赛的18家参赛单位,一共提交了 30多个薄膜样品,大部分也使用金属铪作为镀膜材料,其中有些损伤阈值相比上海光机所提供的薄膜,相差100倍。

  正高级工程师易葵是该实验室第三代负责人。他说:“我从大学毕业后一直从事具体工艺研究,因此论文发得少,但这并没有影响自己的职称评定,我还被列为中科院关键技术人才。正是研究所有这样良好的评价机制,我才能一直心无旁骛地工作。”

  实验室第四代负责人朱美萍是一位“80后”,用实验室党支部书记王胭脂的话来说,她忙起来的工作节奏就是“白+黑”“5+2”。镀一次膜需要10小时,她有时一忙就要到半夜。她的女儿今年正上五年级,因为经常要跟着妈妈一起加班,被大家称为“在办公室长大的孩子”。

  正是因为对工作的这份热情和执着,这支看似普普通通的团队,面对被打坏的薄膜,不断分析、敢为人先、锐意进取,才逐步斩获并保持世界第一,实现了我国高功率激光薄膜技术跨越发展。

  (原载于《中国科学报》 2018-10-15 第5版 创新周刊)


文章来源:中国科学院阅读原文】。感谢您的支持!
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