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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    給激光器打造最強韌的“血管”

                    2020-12-03 13:50:00

                      激光是最強的人造光,其能量足以在地球上制造“人造太陽”。你可能不知道,點亮“人造太陽”離不開一種看似不起眼甚至頗為脆弱的材料——高功率激光薄膜。

                      薄如蟬翼的“血管”

                      高功率激光薄膜薄如蟬翼,它附著在透明的玻璃基底上,肉眼幾乎看不出來,但是它就像人體的血管一樣重要。有了它,科學家才能讓只知道直線前行的激光乖乖“聽話”,完全按照人類的意愿,有次序地奔赴同一靶點。

                      在激光聚變、超強超短激光等裝置中,有成千上萬件不同口徑的薄膜元件。這些元件不但要抵擋住“所向無敵”的高能激光的沖擊,保障高功率激光裝置不會“自傷”,還要高效地“指揮”激光向靶點前進,引導激光束在裝置中傳輸??梢哉f,一旦離開高性能的激光薄膜,這些裝置將寸步難行。

                      隨著激光裝置的功率不斷上升,科學家對薄膜的性能要求越來越高。薄膜要足夠強韌,才能承受激光的沖擊——就像人體的血管,如果不夠強韌,很容易因承受不住過高的血壓而破裂。但是,高性能激光薄膜很容易“受傷”,因為激光能量的高度集中會導致元件內部或表面局部變形甚至完全被損壞。

                      元件在單位面積上所能承受的最大激光功率被稱作“激光損傷閾值”。它代表薄膜元件“控制指揮”激光的能力,其數值決定了薄膜元件能不能把激光能量完整地“護送”到靶點。它是衡量激光薄膜元件性能的一項“金指標”。

                    電子元件

                      半世紀接力奮斗

                      作為保證激光在高功率激光系統中按設計要求傳輸的關鍵器件之一,激光薄膜元件在慣性約束聚變激光、超強超短激光、空間激光等領域有廣泛而重要的用途,其品質在很大程度上決定了激光系統運行的負荷強度、可靠性和光束的質量。然而,很長一段時間里,我國高性能、大尺寸激光薄膜元件制備技術遠遠落后于國際先進水平;同時,西方國家長期以來對我國實施嚴密的技術封鎖和產品禁運。相關技術成為許多國防戰略和國民經濟高新技術領域發展的主要瓶頸之一。為了突破這一難關,中國科學院上海光學精密機械研究所(以下簡稱“上海光機所”)的科研人員接力奮斗了半個多世紀。

                      1964年,上海光機所建所,薄膜光學實驗室同步成立,成為中國第一支專業從事激光薄膜研究的團隊。半個多世紀以來,四代科研人員攻堅克難,緊緊聚焦大能量與高功率激光這個國家重大戰略需求,提出并逐步完善了激光薄膜研制全流程控制的系統工程解決方案,攻克了系列關鍵技術難題,成功建立了應用基礎研究、關鍵技術攻關與工程應用的自主創新生態鏈,取得了具有自主知識產權的重大創新成果。

                      高性能激光薄膜的制備是一項復雜的系統工程,涉及多個交叉學科。研究人員既要考慮薄膜設計與制備,也要關注原材料和元件的檢測,以及激光與薄膜態材料的相互作用。經過抽絲剝繭般的梳理,團隊終于確定了“重中之重”——如何找到并消除薄膜中的缺陷。這談何容易,因為要在直徑近1米的薄膜元件中找出微米級的缺陷,其難度就好比在一座大型城市中精確尋找到一顆隨機放置的沙粒。

                      經過不懈的探索,團隊發明了薄膜光熱吸收測試裝置和方法,實現了缺陷3D分布的快速探測,得出了損傷點多起源于基底-膜層界面的結論。在此基礎上,團隊提出了激光“預植”缺陷技術,揭示了基底-膜層缺陷的耦合機制。

                      他們從各工序最大限度地抑制缺陷源,開發了新型“無界面”多層膜沉積技術,通過雙源共蒸實現兩種鍍膜材料交替界面的連續過渡,有效解決了界面缺陷密度高、結合力差、存在駐波場和應力突變的問題。

                      團隊意識到,完美的“零缺陷”大口徑基片是不存在的。為此他們創新性地提出結構性缺陷“縫合”技術,使得結構性缺陷處損傷閾值接近無缺陷膜層。

                      不斷挑戰新高度

                      有了足夠強韌的薄膜,激光裝置功率才可能沖擊新高度。上海光機所薄膜光學實驗室作為唯一供貨單位,為我國神光系列聚變點火裝置提供了所有偏振薄膜元件。神光裝置幾度升級,對薄膜的要求不斷提升,這支團隊始終能研制出保障裝置運行的激光薄膜,有力地支撐了我國下一代激光聚變點火裝置的研制。

                      他們的成果支撐上海超強超短激光裝置實現了10拍瓦國際最高激光放大輸出功率,使我國在該領域占據國際制高點。該團隊還將繼續支撐100拍瓦裝置的建設。據悉,神光裝置需要薄膜能夠承受納秒級的激光沖擊,而百拍瓦超強超短激光裝置則對薄膜提出了飛秒級的更高要求。團隊成員滿懷信心,迎接又一次挑戰。

                      此外,他們研制的激光薄膜元件還成功應用于神舟與天宮交會對接系統和多項空間型號工程任務,簡化了光路結構,降低了載荷……

                      從跟跑到超越

                      上海光機所薄膜光學實驗室的“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制備工藝技術及應用”項目獲得2018年度國家技術發明獎二等獎。

                      2019年,在競爭激烈的基頻激光反射薄膜損傷閾值國際競賽中,上海光機所薄膜光學實驗室研制的激光反射薄膜脫穎而出,以領先第二名65%的絕對優勢勇奪世界第一。

                      該競賽由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發起,代表光學材料激光損傷研究領域的國際最高水平。上海光機所參加了8次,與前幾次相比,此次他們的優勢更加明顯。這表明,中國能生產出世界上最強韌的激光薄膜。在國際范圍內的激光薄膜損傷閾值提升競爭中,中國從跟跑、并跑,最終實現了超越。

                      更令人自豪的是,這是一支完全由中國自主培養的團隊,團隊里沒有一位獲得海外學位的成員。為了將脆弱的激光薄膜打造成強韌的“血管”,團隊的幾代成員鍥而不舍,忘我追求。他們在激光損傷與反激光的“矛”與“盾”的較量中,堅定執著地追求“打不壞”的激光薄膜。這支看似普普通通的團隊,敢為人先,銳意進取,才逐步斬獲并保持世界第一,實現了我國高功率激光薄膜技術的跨越發展。

                    文/中國科學院上海光學精密機械研究所

                    本文來自《科學畫報》

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