本月剛剛獲得今年諾貝爾物理學獎嘉許的激光科技領域，這幾天又決出一項國際頂尖技術賽事的高下，這一次，冠軍得主來自中國上海，他們以領先第二名20%的優勢奪魁。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室於10月9日傳來好消息，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室研製的激光反射薄膜元件在2018年基頻激光反射薄膜元件激光損傷閾值國際競賽中脫穎而出。
這支沒有任何學術榮譽“帽子”的研究團隊，面對西方的技術封鎖，憑藉執著的工匠精神數十年如一日，從跟跑、並跑，終於在國際範圍內的激光薄膜損傷閾值提升競爭中實現超越。用實驗室學術總顧問範修正的話來說，這次的領先很難逾越。
圖說：研究人員展示激光薄膜 來源：新民晚報見習記者 郜陽 攝
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線前行的強激光按照人類的想法“萬宗歸一”的獨門元件。它不但需要抵擋住“所向無敵”的高能激光的衝擊，保障高功率激光裝置不會“自傷”，還要高效的“指揮”激光的方向，使將入射到它表面的激光完全按照人們的意願，有次序地奔赴同一靶點。激光損傷閾值代表著這個元件“控制指揮”激光的能力，其數值大小決定著能不能把激光能量完整地護送到靶點。
“西方對我國禁運大於500毫米的激光薄膜元件。”項目負責人，研究員朱美萍告訴記者，“而高功率激光薄膜是構成激光聚變裝置、超強超短激光等強激光系統不可或缺的元件。”
薄膜光學實驗室團隊成員們自嘲處於“食物鏈”的末端，元件有差池就會影響後續裝置的運行。可擺在團隊面前的挑戰卻不小：高性能激光薄膜技術是一項複雜的系統工程，涉及多個交叉學科，既要考慮薄膜設計與製備，也要關注原材料和元件的檢測，而激光與薄膜態材料相互作用也需要研究人員花心思。
圖說：高功率激光反射薄膜元件損傷閾值國際競賽結果，標五角星的為中科院上海光機所的參賽樣品,功能性激光損傷閾值高達94焦耳/平方釐米。 來源：上海光機所供圖
“四部曲”攻克難關
經過抽絲剝繭般的分析，團隊終於確定了“重中之重”——如何實現缺陷探測和抑制。“我們針對性地提出了相識、相知、相抑、相扶這‘四部曲’。”朱美萍介紹。
薄膜光學實驗室發明了薄膜光熱吸收測試裝置和方法，實現了缺陷3D分佈的快速探測，得出了損傷點多起源於基底-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。在“相抑”環節，研究人員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“零缺陷”的大口徑偏振片是不存在的，為此他們又創新性地提出缺陷“縫合”技術，使得缺陷處損傷閾值接近無缺陷膜層。
“高閾值薄膜就像一件藝術品，要精雕細琢。每一步工藝是環環相扣的，一個微小細節的失誤都會使之前的工作付之東流。”實驗室黨支部書記王胭脂這樣比喻。薄膜光學實驗室的成果也得到了國際權威的點贊：能夠在理解限制提升激光損傷閾值的因素和如何抑制這些因素這兩個領域做出重大貢獻，這是一項巨大的成就。
圖說：大尺寸激光薄膜反射元件 來源：上海光機所供圖
“土”團隊突破“卡脖子”難關
這是一支完全由祖國自主培養的團隊，團隊裡沒有一位帶“帽子”的成員。幾代薄膜人“敢做驚天動地事，甘做默默無聞人”。自建所以來，建立了從材料到器件的完備高功率固體激光技術支撐體系，具有領先的大型固體激光驅動器總體技術與研製能力。
就是這群土生土長的科研人，屢屢做出讓國人自豪的成果：在激光聚變點火領域，上海光機所作為唯一供貨單位，為我國神光系列裝置提供了所有偏振薄膜元件，支撐神光裝置輸出能量從單束3000焦耳提升到17600焦耳，有力支撐了我國下一代激光聚變點火裝置的研製。在航天工程領域，成功應用於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，降低了載荷重量……
在激光損傷與反激光損傷這對“矛”與“盾”的較量中，團隊錘鍊出了服務激光系統總體，堅定執著追求“打不壞”激光薄膜的文化。要解決“卡脖子”技術，需要承受常人難以想象的壓力。上海光機所科研隊伍常常‘白+黑、五+二’，學術總顧問範正修研究員年近八旬，依然每天騎著自行車來所裡指導年輕薄膜人。五六位研究員擠在一間小小的辦公室裡，毫無怨言。有時週末加班，只能在過道里給孩子搭張躺椅休息。
“我堅持兩個原則：隊伍不能散、要把任務當研究。”在範正修看來，中科院提出的“以應用帶學科”很關鍵。“我們從來不做‘扯皮方’，哪怕在應用中除了問題，我們也會第一時間到現場，提供意見。”他說，“另一方面，光做任務不研究，就只會‘原地踏步’，那就成了工廠。只有應用方不斷提出新的要求，才能促進我們不斷進步。”
令他欣喜的是，青年科技骨幹已經拿起了“接力棒”。從邵建達研究員、到易葵正高級工程師，再到朱美萍，實驗室主任的大旗已從“40後”交到了“80後”的手中，而從上世紀80年代開始，實驗室也培養了近200名研究生，不少人成為薄膜研發的中堅力量。
閱讀更多 中科院之聲 的文章
