中科院上海光机所激光钕玻璃挑战光玻璃世界极限

胡丽莉正在检查成品钕玻璃的质量。(摄影/赵侃)

本报首席记者许

数百束微弱的激光束穿过一个又一个玻璃后，会将能量放大1万亿倍。最终，它们将汇聚到一点，点燃人造“小太阳”——激光惯性约束聚变装置，这有望实现人类不断获取清洁能源的终极梦想。

为了获得这种能够引发氢同位素核聚变的强激光，有必要开发钕玻璃，它可以向激光提供能量，而激光是高功率激光的“心脏”。中国科学院上海光学与机械工程研究所的一群科学家，为实现这一梦想默默工作了半个世纪。

如今，他们是世界上唯一一个掌握了大尺寸高性能激光钕玻璃制造全过程的团队。昨天，他们获得了2016年上海技术发明奖。

钕玻璃“激发”激光足以引发聚变反应

钕玻璃的研究经历了半个世纪，四次技术迭代和两位中国科学院院士。团队成员总是有一个信念:不管有多难，他们都必须去做！

一焦耳的能量可以使1瓦的灯泡正常发光一秒钟。一纳焦耳仅仅是一焦耳的十亿分之一，而这种能级激光几乎是察觉不到的。然而，在1000或2000块被吸收的钕玻璃被“激发”后，光束将足够强，足以引发聚变反应。

“钕玻璃很奇怪。在氙灯的照射下，钕离子将吸收光能，从低能态过渡到高能态钕玻璃项目主任、光学研究所研究员胡丽莉解释说，当激光穿过全能量钕玻璃时，它会吸收玻璃中的能量并变得更强。“数千块激光钕玻璃被装置中的激光反复“中继”，最终激光可以满足科学家的需求。”

这种强大的激光可以帮助科学家进行高能量密度物理的基础研究。浦东张江超强超短激光装置也采用钕玻璃阵列，创下了激光瞬时输出功率的世界纪录。激光钕玻璃也可以用于聚变研究。中国的“申光”装置是世界上最好的聚变“点火器”之一。

从1964年开始，上海光学机械研究所就开始了钕玻璃的研究，并走出了中国科学院的甘福溪院士和江院士。团队成员目前稳定在80多人。从第一代硅酸盐钕玻璃到现在的磷酸盐钕玻璃，经历了四代技术升级。胡丽莉说，与硅酸盐钕玻璃相比，磷酸盐钕玻璃非常“精致”:使用时，必须精确控制温度和湿度，否则玻璃会发霉，熔化非常困难，“但它的能量放大能力是硅酸盐钕玻璃的10倍，高功率激光装置无法与之分离”

不管有多难，都必须完成！没有它，中国激光科学对世界前沿的影响将只是理论上的。

这是世界上唯一掌握所有制造技术的公司。

在“征服”这个词的背后是不眠的思想、反复的失败、无数的紧急会议和被遗弃的休息日。随着结婚生子的生命历程，年轻人把解决关键问题的技术视为另一个孩子。

为什么磷酸盐钕玻璃很难制造？它必须同时满足28个技术参数，几乎每一个都是一个困难的障碍:高纯度的原料容易吸水，“性格”活泼，甚至“懒惰”的铂也会被它“拉下”。然而，激光钕玻璃中没有杂质的空间。高功率激光设备通常需要数千块钕玻璃，并且它们必须具有相同的规格和性能，以便200或300束激光束会聚到毫米量级的目标。

按照传统方法，熔炼一块钕玻璃平均需要两天时间。早在20世纪90年代，美国、日本和德国的三家公司联合投资研发，花了六年时间掌握钕玻璃的连续熔炼技术。

“中国不能从国外购买钕玻璃，也不能获得相关技术。外国对我们实施了禁运。”胡丽莉说，为了使中国的科学研究达到世界前列，只有中国才能突破这个“瓶颈”。

2002年，在国家重大科技项目的支持下，胡丽莉带领团队开始了征服钕玻璃连续熔化技术的征程。

“这真的太难了！”胡丽莉表示，它已经挑战了光学玻璃连续熔化的极限，这种玻璃尺寸大、折射率要求高、要求极高。

除了水、铂和杂质之外，攻克每一个关口还需要两到三年的时间。在“征服”这个词的背后是不眠的思想、反复的失败、无数的紧急会议和被遗弃的休息日。"全队连续7年放弃春节假期."胡丽莉说，只有当大约一米长半米宽的紫色玻璃从生产线上下来并通过测试时，每个人都会感到有点放松。

纯紫红玻璃，用一圈淡绿色玻璃包裹，钕玻璃应放在女孩梳妆台前。然而，在专业人士的眼中，这是一个完整的光学装置——即使是用来粘合两个玻璃的胶水也必须严格符合钕玻璃的技术参数。

该项目的第二完成人、光学和机械服务研究所的高级工程师陈书斌解释说，钕玻璃在接收能量后会产生一些杂乱的光散射。包装好的玻璃不仅要吸收“杂散光”，还要消除应力，否则钕玻璃会破裂。

每一件小事都决定了整个开发过程的成败。“在这个团队中，许多年轻人一毕业就加入了这个团队。他们已经在一项技术上工作了十多年，这确实是一项极端的成就。”胡丽莉说，有些人在年轻时就已经变灰了，“随着结婚生子的生活过程，他们把他们想要解决的技术视为另一个孩子”

持续稳定的支持和平静的心态来克服困难

令团队非常欣慰的是，这些年来，从来没有人担心资金和实验场地。只有当科学研究有一个舒适的环境时，这个伟大的事件才能完成。

走进嘉定北区光学研究所的一栋大楼，世界上唯一的大口径高品质钕玻璃连续熔化生产线正在为下一步的开工做准备。这条生产线每年能生产1200块钕玻璃。陈书斌表示，与手工制作钕玻璃的时代相比，目前的生产效率提高了10倍，成品率也大幅提高。

几年前，一些国际组织已经建立了光学机械工厂，并想购买产品。当他们知道中国的科研机构掌握了全套生产技术，产品指标都很好时，他们除了钦佩之外，还钦佩他们光学与机械工程研究所科研部主任何鸿波表示，目前钕玻璃的直接销售额已达3.76亿元。它在高科技领域的深远影响是无法估量的。

胡丽莉感到非常欣慰的是，在国家重大科技项目、国家工业和信息化部以及上海市经济和信息化委员会的支持下，团队多年来从未担心过资金问题。"光学研究所也优先为我们提供尽可能好的实验场所."她说只有当有一个舒适的研究环境时，这个伟大的事件才能完成。

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