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高出第二名20%,没有一位戴海归“帽子”的上海光机所薄膜光学团队获世界第一
发布日期:2018-10-11   来源:上观新闻
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  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:中科院上海光机所中科院强激光材料重点实验室薄膜光学实验室,研制的激光反射薄膜元件再次折桂,在来自6个国家的18家参赛单位中,损伤阈值高出第二名20%。


图为高功率激光反射薄膜元件损伤阈值国际竞赛结果,标五角星的为中科院上海光机所的参赛样品,功能性激光损伤阈值高达94焦耳/平方厘米。

  不但要“抵挡”激光冲击,还要高效“指挥”激光方向

  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,它犹如人类的“血管”导引激光束在激光装置中传输,其性能直接影响激光装置的输出能量和光束质量。

  高功率激光薄膜,也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“指挥”激光的方向,使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,正代表着这个元件“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。

  支撑“神光”输出能量提升了近5倍

  解放日报·上观新闻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。


大尺寸激光薄膜反射元件

  项目负责人朱美萍研究员说,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。要知道,从薄膜材料本身到涂膜工艺,再从运输到使用,都容易产生缺陷。由于完美的“零缺陷”元件不存在,在高能量下仍有个别缺陷点导致薄膜元件在多次激光辐照下产生损伤,该类损伤点被称为“灾难性”损伤点。然而,引起上述问题的损伤机制及抑制技术不明确。

  高功率激光薄膜的制备是一个工艺环节漫长、复杂的系统工程,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,而西方国家对我国实施严密的技术封锁和产品禁运。

  上海光机所薄膜光学实验室创新提出了“无界面”多层膜技术和基底缺陷“缝合”技术,解决了冷加工基底缺陷和膜层界面缺陷诱导的激光损伤难题,突破性提升了偏振片激光损伤阈值。

  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。此外,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。

  团队成员没有一位是戴“帽子”的海归

  采访时,解放日报·上观新闻记者见到了上海光机所薄膜光学实验室的四代负责人。

  “我从1964年进所那天起,就开始干这个活。”年近80岁的范正修研究员,尽管已经退休,仍然每天坚持骑脚踏车来“上班”。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,优先用来买设备,就算买不起整台设备,就先买一个泵。曾经有公司高薪聘请他,但他却甘于在实验室里做研究。“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80年代中期培养了将近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。

  “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。”上海光机所党委书记邵建达,正是该实验室第二代负责人。要提高神光装置的输出能量,首当其冲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。”邵建达告诉解放日报·上观新闻记者,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,其中有损伤阈值相比上海光机所提供的薄膜,相差100倍。

  “我从大学毕业后一直从事具体工艺研究,因此论文发得少,但没有影响评职称,我还被列为中科院关键技术人才。正是有这样的评价机制,我才能一直心无旁骛地工作。”正高级工程师易葵是该实验室第三代负责人。

  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,这支完全由我国自主培养、没有一位戴海归“帽子”的团队,不忘初心,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,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。他们在激光损伤与反激光损伤的“矛”与“盾”的较量中,坚定执着地追求“打不坏”的激光薄膜,才逐步斩获了世界第一,实现了我国高功率激光薄膜技术跨越发展。(作者:黄海华)