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勇夺世界第一!中国科学院研制世界最“强韧”激光薄膜,损伤阈值高出第2名20%

文章来源: 文汇报       发布时间:2018-10-11

10月9日消息,中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学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,在竞争激烈的2018基频激光反射薄膜元件激光损伤阈值国际竞赛中,以高出第二名20%的性能优势,勇夺世界第一!


勇夺世界第一!中国科学院研制世界最“强韧”激光薄膜,损伤阈值高出第2名20%

▲上光所薄膜光学实验室研制的激光反射薄膜


这表明,中国能生产出世界上最“强韧”的激光反射薄膜,为中国在激光聚变装置、超强超短激光等领域走到世界前沿,突破了一项“卡脖子”的技术。为了这一天,上光所的这群“薄膜人”接力奋斗了54年。


从纳秒到飞秒,激光“血管”强韧度不断挑战极限


让具有强大能量的激光,能按照科学家的意愿,有序地一路奔赴靶点,是高功率激光反射薄膜的“独门功夫”。在激光聚变、超强超短激光等装置中,有着成千上万件不同口径的薄膜元件。可以说,离开这种高性能的薄膜,这些装置将寸步难行。


随着激光装置功率的不断上升,薄膜要足够强韧,才能承受激光的冲击而完成传导激光的任务。因此,损伤阈值就成为一项“金指标”——就像人体的血管,如果不够强韧,很容易承受不住过高的血压而破裂。薄膜足够强韧,激光装置功率才可能冲击新高度。


早在1964年,上光所第八研究室就成立了镀膜组,开始了中国激光薄膜研究的新征程。中国第一块反射薄膜元件就在这里诞生。1965年,镀膜组升格为薄膜光学实验室


今年78岁的范正修研究员,是薄膜光学实验室的第一任主任。过去二三十年,神光聚变点火装置几度升级,对薄膜不断的要求不断提升,可这支团队始终能研制出保障装置的激光薄膜。


范正修记得,上世纪九十年代,中国科学院院士林尊琪提出神光装置的一个升级方案,需要用到直径接近一米的激光反射薄膜。由于加工精度要求太高,外国同行认为这根本就不可能实现。可范正修带领团队,经过刻苦攻关,将这块“不可能实现”的薄膜,镀上了激光玻璃。


这不仅使林尊琪院士的方案得以顺利实施,也为中国激光技术冲破国外垄断,打开了缺口。


勇夺世界第一!中国科学院研制世界最“强韧”激光薄膜,损伤阈值高出第2名20%

▲科研人员在抓取需要镀膜的基板


“神光装置需要薄膜能够承受纳秒级的激光冲击,而百拍瓦超强超短激光装置则对薄膜提出了飞秒级的要求——相当于性能要求提升百万倍。”范正修说,直到今天,他还每天骑着自行车去实验室,与年轻人一起琢磨如何挑战极限。


队伍不能散!没有“海归”的团队勇夺“世界第一”


美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室之所以会举行激光反射薄膜损伤阈值的国际竞赛,因为它拥有俗称“人造太阳”的当今世界上规模最大的激光聚变装置——美国国家点火装置。


上世纪九十年代,刚参与这项赛事时,在来自全球六个国家的几十个竞争对手中,上光所只处于中下游的水平。而到了2012年,这支团队送交的样品已经以微弱的优势,夺得了赛事桂冠。由于忙于国家任务,他们有五年不曾参赛,今年再次出山,其薄膜的损伤阈值比第二名高出了20%,比排名靠后的对手性能甚至超出百倍!


由于技术封锁,这支团队里没有一个获得海外学位的成员。“因为国外相关的一流实验室根本不接纳中国学生!直径超过500毫米的薄膜材料和设备,也全都对华禁运!”现任实验室主任朱美萍研究员说,幸运的是,范老一直坚持薄膜光学要作为一门学科发展,中国才有了在这一领域不被“卡脖子”的今天。


“队伍不能散”是范正修坚持的一个原则。在很多人心里,镀膜就是为大工程、大装置提供服务的。可范老认为,这是一门学科,只有从机理入手,搞清楚科学问题,才能有不断为国家任务提供保障的能力,“不然只能沦为加工工厂,连服务的能力都失去!”


勇夺世界第一!中国科学院研制世界最“强韧”激光薄膜,损伤阈值高出第2名20%

▲科研人员值守在镀膜设备旁,他们常常需要连续几小时、十几小时值班


如今,他们已发展出一整套理论与技术,来找到、消除薄膜中的缺陷,这才使薄膜性能得到了大幅度提升。要知道,在直径近一米的薄膜上,寻找出微米级的缺陷,其难度就好比在一座大型城市中,精确寻找到一颗随机放置的沙粒。


“研究工艺,很多成了技术秘密,连论文都出不了!”上光所党委书记邵建达是范正修的学生,也是薄膜光学实验室的第二任主任,他说,没有不计名利的奉献精神,也没有今天在国际竞赛中的力挫群雄。


坚持学科发展,也使得这个实验室成为中国激光薄膜领域的“黄埔军校”。54年来,这里培养出了200多名研究生,在全国各高校、科研机构中成为技术骨干。同时,这里的毕业生还创办了几十家高科技创业企业。中国太阳能光伏产业领军人物施正荣就是从这个实验室毕业的。


半个世纪,实验室主任已经换了四任,实验室也从最初的十几人扩展到一百多人,已由80后挑起大梁,但他们为国家而奋斗的初心,永远不变。


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