那位地工学家引导共青团和少先队造出激光器最

来源:http://www.lfzhongying.com 作者:盖世电竞竞猜 人气:152 发布时间:2019-08-01
摘要:赵侃摄 胡丽丽研究员在实验室 本文图均为 受访者供图 胡丽丽在检查钕玻璃成品质量。 钕玻璃是指含有稀土发光钕离子的特殊玻璃,它可以在“泵浦光”的激发下对激光能量进行放大

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赵侃摄

胡丽丽研究员在实验室 本文图均为 受访者供图

胡丽丽在检查钕玻璃成品质量。

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钕玻璃是指含有稀土发光钕离子的特殊玻璃,它可以在“泵浦光”的激发下对激光能量进行放大,是激光器的“心脏”。激光钕玻璃性能的好坏直接决定了激光装置输出能量的潜力和质量,是目前人类所知能够输出最大激光能量的工作介质。

上百束微弱的激光,经过一道道玻璃之后,能量会放大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,有望实现人类源源不断获得清洁能源的终极梦想。

赵侃摄

大尺寸激光钕玻璃成品需同时符合高光学质量、低应力、无铂颗粒等夹杂物、高一致性等28个技术指标,钕玻璃尺寸越大,生产难度越高。

要得到这足以引发氢同位素核聚变的强大激光,就必须研制出能为激光输送能量的钕玻璃,它是大功率激光器的“心脏”。中科院上海光机所的一群科学家,为实现这个梦想,默默努力了半个世纪。

钕,音同“女”,是一种银白色金属。

激光钕玻璃连续熔炼技术被誉为美国国家点火装置(NIF,目前世界最大激光惯性约束聚变装置)七大奇迹之首。然而,掌握激光钕玻璃关键技术的西方国家对我国实施严格的技术封锁和产品禁运,我国必须靠自主研发。

如今,他们已经是国际上唯一掌握制作大尺寸高性能激光钕玻璃全过程工艺的团队。昨天,他们捧得了2016年度上海市技术发明特等奖。

激光钕玻璃,是一种含有钕离子的特殊玻璃,呈红色,它可以在“泵浦光”的激发下产生激光或对激光能量进行放大。

如何突破封锁,解决我国激光聚变研究的战略急需,成为摆在中科院上海光机所胡丽丽团队面前的一大挑战。

钕玻璃“赋能”让激光足以引发聚变反应

在3月22日公布的2016年度上海市科学技术奖名单中,有这么一个“钕”项目——“大尺寸高性能激光钕玻璃批量制造关键技术及应用”项目,获得了上海市技术发明特等奖,而项目的第一完成人,正是一位女科学家——中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)的胡丽丽。

钕玻璃总是在封闭式隧道窑炸裂,是胡丽丽团队面临的一个困难。

钕玻璃研究历经半个世纪,经历了4次技术迭代,走出了两位中科院院士。团队成员始终怀揣着一个信念:再难,也要做出来!

上海光机所自1964年建所以来,致力于激光钕玻璃的研发。经过这10多年的持续攻关,胡丽丽所带领的上海光机所激光钕玻璃项目团队,逐项打破了美国等西方国家对中国的严厉技术封锁,自主发明并建成了具有中国特色的首条大尺寸激光钕玻璃连续熔炼线,实现了大尺寸激光钕玻璃的批量生产。

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1焦耳的能量,可以让1瓦的灯泡正常发光1秒。1纳焦耳,只有1焦耳的十亿分之一,这个能量级别的激光,微弱得几乎无法察觉。然而,经过一两千片吸收了能量的钕玻璃“赋能”,这束微光将强大到引发聚变反应。

中等个头、干练的短发,鼻梁上架着一副眼镜,是胡丽丽给人的初印象,近看会发现她短发上不少银丝。“学生有时说,‘胡老师,我爸妈跟您一样年纪,没这么多白头发’,这会不会跟脑力工作的压力也有关系?”,她笑笑说。

胡丽丽研究员与激光钕玻璃

“钕玻璃很奇特,在氙灯的照射下,钕离子会吸收光的能量,从低能状态跃迁到高能状态。”钕玻璃项目负责人、光机所研究员胡丽丽解释,当激光穿过能量满满的钕玻璃时,就会吸收玻璃中的能量而变强,“数千片激光钕玻璃在装置中,反复为激光‘接力’,最终让激光达到科学家的需求。”

胡丽丽1963年出生于江西,20世纪80年代在浙江大学完成材料学本科、硕士学习。

成型后的钕玻璃温度高达六七百摄氏度,需要在这个隧道窑里呆上一个星期,逐渐冷却到六七十度。实验初期,玻璃都在隧道窑里炸裂了。请来的外援专家,到现场看了后说这个问题他们也解决不了。

这强大的激光,可以助力科学家进行高能量密度物理基础研究,创造了激光瞬时输出功率世界纪录的浦东张江超强超短激光装置中,也用到钕玻璃阵列;激光钕玻璃也可用于聚变研究,我国的“神光”装置就是世界上性能最好的聚变“点火器”之一。

结缘“钕玻璃”,胡丽丽说,乃因两位“掌门人”——干福熹和姜中宏院士,“我是学材料的,两位院士在光学材料方面有很深的造诣,硕士毕业后,我报考了上海光机所博士,两位院士一个是我的导师,一个是直接指导老师,在我事业起步时给予莫大帮助。”

胡丽丽秉着“只能上,不能退”的决心,当场拍板自己解决。她带领团队花了半年时间,重新做方案,改变隧道窑的结构,最终解决了玻璃炸裂的问题。

从1964年起,上海光机所就开始了钕玻璃的研究,并走出了干福熹、姜中宏两位中科院院士,团队成员目前稳定在80多人。从第一代硅酸盐钕玻璃,到现在磷酸盐钕玻璃,整整经历了4次技术的代际提升。胡丽丽说,与硅酸盐钕玻璃相比,磷酸盐钕玻璃十分“娇气”:使用时,温度、湿度都要精准控制,不然玻璃会发霉,熔炼时也非常困难,“可它的能量放大能力是硅酸盐钕玻璃的10倍,大功率激光装置离不开它。”

一晃20多年,两位老院士年届耄耋之龄,上海光机所的激光钕玻璃通过53年的研发,也历经了三代。目前,上海光机所已成为国际上首家独立掌握钕玻璃元件全流程生产技术的机构,为中国“神光”系列高功率激光装置提供了全部大尺寸激光钕玻璃。

这时,钕玻璃包边成为阻挡他们前进的又一座大山。

再难,也要做出来! 没有它,我国激光科学冲击世界前沿将只能是纸上谈兵。

说成功,胡丽丽说,没有团队的合作精神,这个项目完不成。她所管理的团队,包括87名技术和研发人员,此外还有30名研究生,“线一旦开起来,就没日没夜,几个月时间不能停,一线的同事放弃了7个春节,坚守岗位。”

原有外购的包边胶存在容易脱胶、收缩大导致钕玻璃炸裂等问题。寻找了数家外协单位仍然未解决问题。胡丽丽团队决定自主研发钕玻璃包边胶。

制造工艺全掌握世界独此一家

谈失败,她说,对于科研而言,失败是常态,都是在一次次失败中吸取教训、逐步成长。这10多年的攻关中,项目团队所经历的失败次数更是难以列举,“关键是要有信心,大家要齐心协力”。

通过几年的持续攻关,上万次实验,胡丽丽团队不仅最终研制出满足性能的包边胶,还成功研制出一整套机械化包边工艺,大大提升了钕玻璃包边性能和批量生产效率。

“攻克”两个字的背后,是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。伴随结婚生子的人生历程,年轻人把要攻关的技术当成了另一个孩子。

作为此番上海市科学技术奖榜单里“凤毛麟角”的女科学家,胡丽丽备受关注,但她说,不管男女,做一番事业,都要付出,无需刻意打上性别标签。

围绕大尺寸激光钕玻璃批量制造关键技术,胡丽丽团队经过十多年持续攻关,逐项攻克了大尺寸激光钕玻璃批量制造涵盖的连续熔炼、精密退火、包边、检测四大关键核心技术。

磷酸盐钕玻璃为何难造? 它要同时满足28个技术参数,几乎每一个都是一道难跨越的坎:高纯度的原料既容易吸水,又“性格”活泼,连生性“懒惰”的白金都会被它“拉”下马。而激光钕玻璃中,又容不得杂质的存在。大功率激光装置动辄需要上千片钕玻璃,它们必须规格性能一模一样,才能让两三百路激光最终精准汇聚到仅有毫米量级的靶点上。

尽管如此,身为一名传统女性,她也坦言,女性要做点事业,需付出更多的努力。

胡丽丽团队的成果打破了国外技术封锁,取得了以连续熔炼为核心的大尺寸激光钕玻璃批量制造关键技术的突破,实现了涵盖大尺寸激光钕玻璃连续熔炼、包边和高精度检测的三项核心技术发明。团队还自主发明并建成了具有中国特色的首条大尺寸激光钕玻璃连续熔炼线,实现了大尺寸激光钕玻璃的批量生产。

按照传统方法,熔炼出一片钕玻璃平均需要两天。早在上世纪90年代,美国、日本、德国3家公司共同投入研发,花了6年时间,掌握了钕玻璃连续熔炼技术。

她有她的内疚,“不可能像一般的妈妈和妻子一样,对家庭的贡献度会有点折扣”;也尝试着她的弥补,“周末时,会买菜做饭、打扫卫生,弥补平日里的分身乏术。”

大尺寸N31激光钕玻璃已经成功应用于我国“神光”系列激光装置和用于开展前沿基础研究的上海超强超短激光实验装置。

“中国买不到国外的钕玻璃,也得不到相关技术,国外对我们禁运。”胡丽丽说,要让中国科研走到世界最前端,只有自己突破这个“卡脖子”的难关。

胡丽丽人生的20余载年华伴随“钕玻璃”而逝,在她看来,解决了关键技术问题,研究成果得到了应用,为国家解决了急需,是学工科人莫大的欣慰。

目前,上海光机所已成为国际上独立掌握钕玻璃元件全流程生产技术的机构。胡丽丽作为第一完成人,荣获上海市2016年度技术发明奖特等奖、2017年度国家技术发明奖二等奖。

2002年,在国家科技重大专项的支持下,胡丽丽率领团队,开始了攻克钕玻璃的连续熔炼技术的征程。

“我觉得很值得,我们的价值,在于探索未知,驾驭规律”,她说。

胡丽丽说,没有团队的合作,这个项目不可能完成。挑战极限的科研攻关过程中失败是常态,成功来自从一次次失败中吸取和总结教训。这10多年的攻关中,自己团队所经历的失败次数更是难以列举。

“这真是太难了!”胡丽丽说,它挑战了光学玻璃连续熔炼的极限,尺寸大、指标要求多且极高。

“在外人看来,我们可能像一群只知道工作的苦行僧。可是我们也都知道,要想做成一点事情,光靠8小时是不够的。”胡丽丽说。

除水、除白金、除杂质……每道关口都得花上两三年才能攻克。而这“攻克”两个字的背后,则是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。“整个团队连续7年,连春节假期都放弃了。”胡丽丽说,只有当约1米长、半米宽的紫红色玻璃走下生产线并检测合格时,大家的心里才会生出一丝轻松。

纯净的紫红色玻璃,包裹着一圈淡绿色的玻璃包边,钕玻璃美得应该放在少女梳妆台前。然而,在专业人士眼中,那是一个完整的光学器件——连粘结两种玻璃用的胶水,都必须严格符合钕玻璃的技术参数。

项目第二完成人、光机所正高级工程师陈树彬解释,钕玻璃在接收能量之后,会产生一些杂乱的光散射,包边玻璃不仅要能吸收“杂光”,还要能消除应力,不然钕玻璃就会碎裂。

每一个细小之处,都决定着整个研制过程的成败。“这个团队里,好多小伙子一毕业就加入进来,十几年钻在一门技术里,真是做到了极致。”胡丽丽说,有些人年纪轻轻就已经花白了头发,“伴随结婚生子的人生历程,他们把自己要攻关的技术当成了另一个孩子。”

连续稳定支持安心攻克难关

让团队倍感欣慰的是,这么多年来,从没有为经费和实验场地发过愁。有了安心做科研的环境,才能做成这件大事。

走进光机所嘉定北区的一幢大楼,世界上唯一一条大口径高品质钕玻璃连续熔炼生产线,正在为下一次开工做准备。这条生产线一年可产出钕玻璃1200片。陈树彬说,与手工单片制作钕玻璃的时代相比,现在的生产效率提升了10倍,成品率也大幅提升。

数年前,国际上已有机构找到光机所,希望购买产品。“当他们知道中国一家科研机构就掌握了全套生产工艺,产品指标全优,除了佩服,还是佩服。”光机所科研处处长贺洪波说,钕玻璃的直接销售额目前已达3.76亿元,它在高技术领域所打开的局面,其影响深远是难以估量的。

胡丽丽感觉非常欣慰的是,在国家科技重大专项、国家工信部、上海市经信委的支持下,这么多年来,团队从没有为经费发过愁。“光机所也尽可能优先为我们提供更好的实验场地。”她说,有了安心做研究的环境,才能做成这件大事。

(原载于《文汇报》 2017-03-23 06版)

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