上百束微弱的激光,經(jīng)過(guò)一道道玻璃之后,能量會(huì)放大1萬(wàn)億倍。最終,它們將匯聚到一點(diǎn),點(diǎn)燃人造“小太陽(yáng)”———激光慣性約束聚變裝置,有望實(shí)現(xiàn)人類(lèi)源源不斷獲得清潔能源的終極夢(mèng)想。
要得到這足以引發(fā)氫同位素核聚變的強(qiáng)大激光,就必須研制出能為激光輸送能量的釹玻璃,它是大功率激光器的“心臟”。中科院上海光機(jī)所的一群科學(xué)家,為實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想,默默努力了半個(gè)世紀(jì)。
如今,他們已經(jīng)是國(guó)際上唯一掌握制作大尺寸高性能激光釹玻璃全過(guò)程工藝的團(tuán)隊(duì)。昨天,他們捧得了2016年度上海市技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。
釹玻璃“賦能”讓激光足以引發(fā)聚變反應(yīng)
釹玻璃研究歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì),經(jīng)歷了4次技術(shù)迭代,走出了兩位中科院院士。團(tuán)隊(duì)成員始終懷揣著一個(gè)信念:再難,也要做出來(lái)!
1焦耳的能量,可以讓1瓦的燈泡正常發(fā)光1秒。1納焦耳,只有1焦耳的十億分之一,這個(gè)能量級(jí)別的激光,微弱得幾乎無(wú)法察覺(jué)。然而,經(jīng)過(guò)一兩千片吸收了能量的釹玻璃“賦能”,這束微光將強(qiáng)大到引發(fā)聚變反應(yīng)。
“釹玻璃很奇特,在氙燈的照射下,釹離子會(huì)吸收光的能量,從低能狀態(tài)躍遷到高能狀態(tài)。”釹玻璃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、光機(jī)所研究員胡麗麗解釋?zhuān)?dāng)激光穿過(guò)能量滿(mǎn)滿(mǎn)的釹玻璃時(shí),就會(huì)吸收玻璃中的能量而變強(qiáng),“數(shù)千片激光釹玻璃在裝置中,反復(fù)為激光‘接力’,最終讓激光達(dá)到科學(xué)家的需求。”
這強(qiáng)大的激光,可以助力科學(xué)家進(jìn)行高能量密度物理基礎(chǔ)研究,創(chuàng)造了激光瞬時(shí)輸出功率世界紀(jì)錄的浦東張江超強(qiáng)超短激光裝置中,也用到釹玻璃陣列;激光釹玻璃也可用于聚變研究,我國(guó)的“神光”裝置就是世界上性能最好的聚變“點(diǎn)火器”之一。
從1964年起,上海光機(jī)所就開(kāi)始了釹玻璃的研究,并走出了干福熹、姜中宏兩位中科院院士,團(tuán)隊(duì)成員目前穩(wěn)定在80多人。從第一代硅酸鹽釹玻璃,到現(xiàn)在磷酸鹽釹玻璃,整整經(jīng)歷了4次技術(shù)的代際提升。胡麗麗說(shuō),與硅酸鹽釹玻璃相比,磷酸鹽釹玻璃十分“嬌氣”:使用時(shí),溫度、濕度都要精準(zhǔn)控制,不然玻璃會(huì)發(fā)霉,熔煉時(shí)也非常困難,“可它的能量放大能力是硅酸鹽釹玻璃的10倍,大功率激光裝置離不開(kāi)它。”
再難,也要做出來(lái)!沒(méi)有它,我國(guó)激光科學(xué)沖擊世界前沿將只能是紙上談兵。
制造工藝全掌握世界獨(dú)此一家
“攻克”兩個(gè)字的背后,是徹夜難眠的思索、一次次失敗之后從頭再來(lái)、無(wú)數(shù)個(gè)緊急會(huì)議和被放棄的休息日。伴隨結(jié)婚生子的人生歷程,年輕人把要攻關(guān)的技術(shù)當(dāng)成了另一個(gè)孩子。
磷酸鹽釹玻璃為何難造?它要同時(shí)滿(mǎn)足28個(gè)技術(shù)參數(shù),幾乎每一個(gè)都是一道難跨越的坎:高純度的原料既容易吸水,又“性格”活潑,連生性“懶惰”的白金都會(huì)被它“拉”下馬。而激光釹玻璃中,又容不得雜質(zhì)的存在。大功率激光裝置動(dòng)輒需要上千片釹玻璃,它們必須規(guī)格性能一模一樣,才能讓兩三百路激光最終精準(zhǔn)匯聚到僅有毫米量級(jí)的靶點(diǎn)上。
按照傳統(tǒng)方法,熔煉出一片釹玻璃平均需要兩天。早在上世紀(jì)90年代,美國(guó)、日本、德國(guó)3家公司共同投入研發(fā),花了6年時(shí)間,掌握了釹玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)。
“中國(guó)買(mǎi)不到國(guó)外的釹玻璃,也得不到相關(guān)技術(shù),國(guó)外對(duì)我們禁運(yùn)。”胡麗麗說(shuō),要讓中國(guó)科研走到世界最前端,只有自己突破這個(gè)“卡脖子”的難關(guān)。
2002年,在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的支持下,胡麗麗率領(lǐng)團(tuán)隊(duì),開(kāi)始了攻克釹玻璃的連續(xù)熔煉技術(shù)的征程。
“這真是太難了!”胡麗麗說(shuō),它挑戰(zhàn)了光學(xué)玻璃連續(xù)熔煉的極限,尺寸大、指標(biāo)要求多且極高。
除水、除白金、除雜質(zhì)……每道關(guān)口都得花上兩三年才能攻克。而這“攻克”兩個(gè)字的背后,則是徹夜難眠的思索、一次次失敗之后從頭再來(lái)、無(wú)數(shù)個(gè)緊急會(huì)議和被放棄的休息日。“整個(gè)團(tuán)隊(duì)連續(xù)7年,連春節(jié)假期都放棄了。”胡麗麗說(shuō),只有當(dāng)約1米長(zhǎng)、半米寬的紫紅色玻璃走下生產(chǎn)線(xiàn)并檢測(cè)合格時(shí),大家的心里才會(huì)生出一絲輕松。
純凈的紫紅色玻璃,包裹著一圈淡綠色的玻璃包邊,釹玻璃美得應(yīng)該放在少女梳妝臺(tái)前。然而,在專(zhuān)業(yè)人士眼中,那是一個(gè)完整的光學(xué)器件———連粘結(jié)兩種玻璃用的膠水,都必須嚴(yán)格符合釹玻璃的技術(shù)參數(shù)。
項(xiàng)目第二完成人、光機(jī)所正高級(jí)工程師陳樹(shù)彬解釋?zhuān)S玻璃在接收能量之后,會(huì)產(chǎn)生一些雜亂的光散射,包邊玻璃不僅要能吸收“雜光”,還要能消除應(yīng)力,不然釹玻璃就會(huì)碎裂。
每一個(gè)細(xì)小之處,都決定著整個(gè)研制過(guò)程的成敗。“這個(gè)團(tuán)隊(duì)里,好多小伙子一畢業(yè)就加入進(jìn)來(lái),十幾年鉆在一門(mén)技術(shù)里,真是做到了極致。”胡麗麗說(shuō),有些人年紀(jì)輕輕就已經(jīng)花白了頭發(fā),“伴隨結(jié)婚生子的人生歷程,他們把自己要攻關(guān)的技術(shù)當(dāng)成了另一個(gè)孩子。”
連續(xù)穩(wěn)定支持安心攻克難關(guān)
讓團(tuán)隊(duì)倍感欣慰的是,這么多年來(lái),從沒(méi)有為經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地發(fā)過(guò)愁。有了安心做科研的環(huán)境,才能做成這件大事。
走進(jìn)光機(jī)所嘉定北區(qū)的一幢大樓,世界上唯一一條大口徑高品質(zhì)釹玻璃連續(xù)熔煉生產(chǎn)線(xiàn),正在為下一次開(kāi)工做準(zhǔn)備。這條生產(chǎn)線(xiàn)一年可產(chǎn)出釹玻璃1200片。陳樹(shù)彬說(shuō),與手工單片制作釹玻璃的時(shí)代相比,現(xiàn)在的生產(chǎn)效率提升了10倍,成品率也大幅提升。
數(shù)年前,國(guó)際上已有機(jī)構(gòu)找到光機(jī)所,希望購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品。“當(dāng)他們知道中國(guó)一家科研機(jī)構(gòu)就掌握了全套生產(chǎn)工藝,產(chǎn)品指標(biāo)全優(yōu),除了佩服,還是佩服。”光機(jī)所科研處處長(zhǎng)賀洪波說(shuō),釹玻璃的直接銷(xiāo)售額目前已達(dá)3.76億元,它在高技術(shù)領(lǐng)域所打開(kāi)的局面,其影響深遠(yuǎn)是難以估量的。
胡麗麗感覺(jué)非常欣慰的是,在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家工信部、上海市經(jīng)信委的支持下,這么多年來(lái),團(tuán)隊(duì)從沒(méi)有為經(jīng)費(fèi)發(fā)過(guò)愁。“光機(jī)所也盡可能優(yōu)先為我們提供更好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。”她說(shuō),有了安心做研究的環(huán)境,才能做成這件大事。
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