09.12 僅美國掌握的激光器核心零件,她用12年攻克28個技術難題實現量產

激光釹玻璃是一種含有稀土發光離子——釹離子的特殊玻璃,它可以在“泵浦光”的激發下產生激光或對激光能量進行放大,是激光器的“心臟”,也是目前人類所知的地球上能夠輸出最大能量的激光工作介質。

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數千片大口徑激光釹玻璃在特殊裝置中,可以將微不足道的激光能量放大到“小太陽”的量級,而這個“小太陽”在我國科學家的手中,除了可以發展大能量釹玻璃固體戰術激光武器系統之外,還能用於聚變研究實現清潔聚變能源以及推動宇宙起源等前沿科學研究開展。

像我們國家的神光裝置,如今的神光Ⅱ為我國慣性約束聚變、X光激光、材料在極高壓狀態下的參數測量等前沿領域開展科學研究提供不可替代實驗手段,是該領域的重要實驗平臺,對提高綜合國力具有重要意義。而激光釹玻璃是其中必不可少的核心器件。

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神光Ⅱ裝置激光靶場系統

世界上最大的釹玻璃激光聚變裝置——美國國家點火裝置(NIF)更是將激光釹玻璃連續熔鍊技術列為自家七大技術奇蹟之首。長期以來,西方發達國家對我國激光釹玻璃進行技術封鎖和產品禁運,中科院上海光機所的科學家為了掌握這項技術,進行了長達半個世紀的努力。

中國科學院上海光機所研究員胡麗麗從上世紀90年代進入上海光機所開始,20多年的時間一直從事激光釹玻璃的研究工作。

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曾經,上海光機所想向國外購買一塊大尺寸的釹玻璃,對方不但開了天價,還以物流不便等諸多借口百般刁難,最終不了了之,這讓胡麗麗印象十分深刻,也讓她堅定了研究激光釹玻璃的決心。

激光釹玻璃比一般的玻璃工藝要更為複雜,28個技術難題,只要有一個不達標,就是不合格產品。冷了會有裂紋,受潮了容易發黴,包邊膠的耐環境性差一點就會脫膠,就連手指輕輕按一下,都會留下不該有的應力。

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從1964年建所以來,光機所就沒停止過激光釹玻璃的研發工作,2002年,中科院上海光機所經過幾十年的努力,已經掌握了激光釹玻璃單片熔鍊技術。

但是2006年的時候,國家啟動重大科技專項,對大尺寸高性能激光釹玻璃提出了更為迫切的需求。單片熔制技術從產量到性能都無法滿足國家需求,像“神光裝置”這些設備都亟需大量大尺寸、高性能的釹玻璃。

激光釹玻璃連續熔鍊技術是解決該需求的唯一途徑。由於激光釹玻璃技術指標要求極高並且尺寸大,激光釹玻璃的連續熔鍊挑戰了玻璃連續熔鍊技術的極限,就是美國也是在聯合德國和日本二家頂級光學玻璃公司後才掌握,而胡麗麗要攻克的就是這個難題。

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胡麗麗團隊剛剛開始連續熔鍊實驗時,是在一個用採光瓦搭成的簡易棚子裡。夏天棚子裡的氣溫更是超過了40度,可以說工作環境十分艱辛。

成型後的釹玻璃溫度高達六七百攝氏度,需要在隧道窯裡呆上一個星期,逐漸冷卻到六七十度。然而實驗初期,玻璃都在隧道窯裡炸裂了。

他們請來外援專家,到現場看了後說這個問題他們也解決不了。胡麗麗秉著“只能上,不能退”的決心。她帶領團隊花了半年時間,重新做方案,改變隧道窯的結構,最終解決了玻璃炸裂的問題。

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之後,胡麗麗團隊對大尺寸激光釹玻璃批量製造涵蓋的連續熔鍊、精密退火、包邊、檢測四大關鍵核心技術進行了持續攻關,逐項打破國外技術封鎖。

2010年前後,胡麗麗團隊迎來了最後的難題。大尺寸的釹玻璃,在成型階段,其流量非常小,只有單片熔鍊的20分之一,卻要像“攤大餅”一樣達到810×500×55mm的坯片規格,玻璃粘度大了攤不開,太小又會出現缺陷。

在這最重要的時刻,關機所可以說全員出動,就連已經退休的老專家都披掛上陣,力求萬無一失。

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最後,我國成為繼美國後第二個掌握該技術的國家。在“大尺寸高性能激光釹玻璃批量製造關鍵技術及應用”項目啟動以前,僅有美國掌握了連續熔鍊技術,並對中國實施嚴格的技術封鎖和產品禁運。

在沒有任何技術可參考的情況下,胡麗麗團隊打破了國外技術封鎖,取得了以連續熔鍊為核心的大尺寸激光釹玻璃批量製造關鍵技術的突破。自主發明並建成了具有中國特色的首條大尺寸激光釹玻璃連續熔鍊線,實現了大尺寸激光釹玻璃的批量生產,鉑顆粒損傷閾值、羥基吸收係數、釹離子濃度一致性等指標優於國外同類產品,上海光機所成為國際上首家獨立掌握釹玻璃全流程生產技術的機構。


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激光釹玻璃澆鑄


胡麗麗團隊自主開發的大尺寸高性能稀土激光釹玻璃製備技術四項技術發明點包括:連續熔鍊動態除羥基和雜質控制技術;激光釹玻璃穩定、可靠批量包邊技術;大尺寸釹玻璃特性檢測技術;大尺寸激光釹玻璃批量製造集成技術。與國際同類技術比較,參數一致性較原來技術提高2-3倍,生產效率提高10倍。

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與國外技術相比,國產製備技術主要突破與創新點有:一是關鍵工藝一體化,攻克並集成了釹玻璃連續熔鍊過程雜質控制、動態羥基去除、鉑金去除、小流量大尺寸成型、無炸裂隧道窯退火等五個關鍵技術難點;二是配套裝備自主化,自主研製了專用新型高增益包邊材料、技術和成套設備,開發了多波長多光路實時包邊剩餘反射率比對測試、強激光輻照掃描等多項離線與在線檢測技術;三是主體生產流程化,建立了完整的質量保障體系和檢測標準,實現了激光釹玻璃元件全流程生產。

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而這背後是胡麗麗12年的艱辛付出,胡麗麗卻表示“激光釹玻璃是全球不可替代的激光材料,我們的研究成果積澱了三代團隊、歷時半個世紀的不懈努力,是集體智慧的結晶”。

僅僅是對包邊膠的研究,也持續了整整兩年時間。為釹玻璃坯片包邊,不僅要無縫黏合,而且要吸收雜散光,控制應力,對複合材料黏合劑的要求近乎苛刻。

市面上原有的包邊膠和包邊工藝易產生附加應力導致釹玻璃斷裂;原有包邊膠耐光熱輻射性能差,易導致包邊失效。全新研發的包邊膠首先要保證光的折射率與釹玻璃匹配,同時收縮率要小,否則的話會影響釹玻璃的激光性能;同時還必須具有超強的耐環境性和耐氙燈輻照,實驗過程中因為膠水的收縮率過大,釹玻璃動輒就來個炸裂。

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目前,該項目的研究成果使激光釹玻璃連續熔鍊的生產效率提高了十倍,而中科院上海光機所也已建成國內首條年產1200片大尺寸高性能激光釹玻璃生產線,產品應用於神光系列裝置、5拍瓦(1015W)超強超短激光裝置等國家重大戰略需求,並出口法國、德國、以色列等國家,直接銷售額3.76億元,間接經濟效益5.13億元。

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