打破西方技术封锁 上海光机所薄膜光学团队再获世界冠军

打破西方技术封锁 上海光机所薄膜光学团队再获世界冠军飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:见习记者 郜阳   2018-10-10 20:26

新民晚报讯(见习记者 郜阳)本月刚刚获得今年诺贝尔物理学奖嘉许的激光科技领域,这几天又决出一项国际顶尖技术赛事的高下,这一次,冠军得主来自中国上海,他们以领先第二名20%的优势夺魁。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室昨天传来好消息,中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室研制的激光反射薄膜元件在2018年基频激光反射薄膜元件激光损伤阈值国际竞赛中脱颖而出。

这支没有任何学术荣誉“帽子”的研究团队,面对西方的技术封锁,凭借执着的工匠精神数十年如一日,从跟跑、并跑,终于在国际范围内的激光薄膜损伤阈值提升竞争中实现超越。用实验室学术总顾问范修的话来说,这次的领先很难逾越。

图说:研究人员展示激光薄膜 来源:新民晚报见习记者 郜阳 摄

小元件有大用途

高功率激光反射薄膜是唯一能迫使只知道直线前行的强激光按照人类的想法“万宗归一”的独门元件。它不但需要抵挡住“所向无敌”的高能激光的冲击,保障高功率激光装置不会“自伤”,还要高效的“指挥”激光的方向,使将入射到它表面的激光完全按照人们的意愿,有次序地奔赴同一靶点。激光损伤阈值代表着这个元件“控制指挥”激光的能力,其数值大小决定着能不能把激光能量完整地护送到靶点。

“西方对我国禁运大于500毫米的激光薄膜元件。”项目负责人,研究员朱美萍告诉记者,“而高功率激光薄膜是构成激光聚变装置、超强超短激光等强激光系统不可或缺的元件。”

薄膜光学实验室团队成员们自嘲处于“食物链”的末端,元件有差池就会影响后续装置的运行。可摆在团队面前的挑战却不小:高性能激光薄膜技术是一项复杂的系统工程,涉及多个交叉学科,既要考虑薄膜设计与制备,也要关注原材料和元件的检测,而激光与薄膜态材料相互作用也需要研究人员花心思。

图说:高功率激光反射薄膜元件损伤阈值国际竞赛结果,标五角星的为中科院上海光机所的参赛样品,功能性激光损伤阈值高达94焦耳/平方厘米。 来源:上海光机所供图

“四部曲”攻克难关

经过抽丝剥茧般的分析,团队终于确定了“重中之重”——如何实现缺陷探测和抑制。“我们针对性地提出了相识、相知、相抑、相扶这‘四部曲’。”朱美萍介绍。

薄膜光学实验室发明了薄膜光热吸收测试装置和方法,实现了缺陷3D分布的快速探测,得出了损伤点多起源于基底-膜层界面的结论;在此基础上,团队提出了激光“预植”缺陷技术,揭示了基底-膜层缺陷的耦合机制。在“相抑”环节,研究人员从各工序最大限度地抑制缺陷源,开发了新型“无界面”多层膜沉积技术,通过双源共蒸实现两种镀膜材料交替界面的连续过渡,有效解决了界面缺陷密度高、结合力差、存在驻波场和应力突变的问题。团队意识到,完美“零缺陷”的大口径偏振片是不存在的,为此他们又创新性地提出缺陷“缝合”技术,使得缺陷处损伤阈值接近无缺陷膜层。

“高阈值薄膜就像一件艺术品,要精雕细琢。每一步工艺是环环相扣的,一个微小细节的失误都会使之前的工作付之东流。”实验室党支部书记王胭脂这样比喻。薄膜光学实验室的成果也得到了国际权威的点赞:能够在理解限制提升激光损伤阈值的因素和如何抑制这些因素这两个领域做出重大贡献,这是一项巨大的成就。

图说:大尺寸激光薄膜反射元件 来源:上海光机所供图

“土”团队突破“卡脖子”难关

这是一支完全由祖国自主培养的团队,团队里没有一位带“帽子”的成员。几代薄膜人“敢做惊天动地事,甘做默默无闻人”。自建所以来,建立了从材料到器件的完备高功率固体激光技术支撑体系,具有领先的大型固体激光驱动器总体技术与研制能力。

就是这群土生土长的科研人,屡屡做出让国人自豪的成果:在激光聚变点火领域,上海光机所作为唯一供货单位,为我国神光系列装置提供了所有偏振薄膜元件,支撑神光装置输出能量从单束3000焦耳提升到17600焦耳,有力支撑了我国下一代激光聚变点火装置的研制。在航天工程领域,成功应用于神舟与天宫交会对接系统和多项空间型号工程任务,简化了光路结构,降低了载荷重量……

在激光损伤与反激光损伤这对“矛”与“盾”的较量中,团队锤炼出了服务激光系统总体,坚定执着追求“打不坏”激光薄膜的文化。要解决“卡脖子”技术,需要承受常人难以想象的压力。上海光机所科研队伍常常‘白+黑、五+二’,学术总顾问范正修研究员年近八旬,依然每天骑着自行车来所里指导年轻薄膜人。五六位研究员挤在一间小小的办公室里,毫无怨言。有时周末加班,只能在过道里给孩子搭张躺椅休息。

“我坚持两个原则:队伍不能散、要把任务当研究。”在范正修看来,中科院提出的“以应用带学科”很关键。“我们从来不做‘扯皮方’,哪怕在应用中除了问题,我们也会第一时间到现场,提供意见。”他说,“另一方面,光做任务不研究,就只会‘原地踏步’,那就成了工厂。只有应用方不断提出新的要求,才能促进我们不断进步。”

令他欣喜的是,青年科技骨干已经拿起了“接力棒”。从邵建达研究员、到易葵正高级工程师,再到朱美萍,实验室主任的大旗已从“40后”交到了“80后”的手中,而从上世纪80年代开始,实验室也培养了近200名研究生,不少人成为薄膜研发的中坚力量。

编辑:韦嘉维

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