“羲和之未揚，若華何光？”《天問》中描寫的太陽之母羲和，在上海被具象為一座激光裝置。
該裝置之所以被命名為“羲和”，是因為它能達到10拍瓦以上的激光峰值輸出功率。這是一個什么樣的概念？
“假如地球外有一面巨大的透鏡，可以把照射在地球上的所有太陽光聚焦在一根人類頭發(fā)絲直徑大小的點上所產(chǎn)生的光強，相當于1拍瓦能產(chǎn)生的光強，那么10拍瓦就相當于10個太陽的光強。”中國科學院上海光學精密機械研究所（下稱“上海光機所”）研究員朱美萍說。
超強超短激光實驗（羲和）裝置的運行，離不開大大小小的關(guān)鍵元器件，朱美萍和她的團隊，就是為羲和裝置“造血管”的科研工作者。
朱美萍日前接受第一財經(jīng)采訪時說，激光薄膜引導激光束按照預設(shè)方向傳輸?shù)倪^程中，需要抵擋住強激光的沖擊，并且能將激光準確地“護送”到目標點，因此，激光薄膜就像整個激光裝置的血管。
而隨著人工智能（AI）技術(shù)的運用，朱美萍和團隊還在設(shè)想，如何把AI技術(shù)融合到激光薄膜技術(shù)里，加速新材料的研發(fā)和篩選，推動薄膜的設(shè)計和工藝的優(yōu)化。“我們現(xiàn)在已經(jīng)在初步探索機器學習如何助力工藝優(yōu)化。”
“無瑕”的激光薄膜有多難
除了運用在神光、超強超短激光等大型裝置中，激光薄膜其實還滲透于經(jīng)濟社會的方方面面，從日常生活中的眼鏡、手機、相機、電腦、汽車，再到探月工程等空間型號任務(wù)搭載的激光器，都少不了激光薄膜技術(shù)的運用。
在一些強激光裝置中，激光薄膜甚至需要承受超過上萬焦耳的激光能量，非常容易被激光損壞，研制難度極大。國際上，米級尺寸的激光偏振薄膜元件與普克爾盒組成的光開關(guān)被譽為美國國家點火裝置七大奇跡之一。我國大尺寸激光薄膜制備技術(shù)起步較晚，一度是大型強激光裝置建設(shè)和運行過程中面臨的技術(shù)瓶頸。
朱美萍打了個比方，如果要做一個對角線1米尺寸的激光偏振薄膜，它對膜層厚度的控制要求，相當于從上海到北京約1000公里的飛行航程內(nèi)，飛機上下顛簸不能超過兩毫米。“缺陷是薄膜在激光輻照下產(chǎn)生損傷的主要因素，缺陷的產(chǎn)生是一個概率事件，對于對角線接近1米尺寸的元件，想要實現(xiàn)零缺陷，基本上是不可能的。”
而追求“無瑕”的薄膜，研究揭示激光誘導薄膜損傷機理，提升激光薄膜的損傷閾值，則是朱美萍和團隊成員一直努力的目標。
1964年，上海光機所成立了我國第一支專業(yè)從事激光薄膜研究的隊伍（今為薄膜光學實驗室），研究生畢業(yè)后就留所工作的朱美萍已經(jīng)是第四代“激光薄膜人”。而前三代激光薄膜團隊掌舵人——范正修研究員、邵建達研究員和易葵正高級工程師，是她的指導老師。
談及做激光薄膜的難點，朱美萍回憶道，最難熬的是有一段時間，鍍膜反復出現(xiàn)膜層龜裂問題。“因為鍍膜是在真空條件下完成的，這個過程還包括降溫、放氣等，在真空狀態(tài)下，我們不知道薄膜是在哪個過程中裂開的。在反復做實驗兩三個月后，某一天我們打開真空室門，用強光燈照在薄膜上的時候，發(fā)現(xiàn)這個膜是完美無瑕的、沒有裂紋的薄膜，我們終于成功了。”
從攻讀研究生至今二十年來，朱美萍不斷鉆研、改進技術(shù)，幾次在國際競賽中取得最佳結(jié)果。她和團隊成員實現(xiàn)了米級尺寸的高性能激光偏振薄膜，相關(guān)技術(shù)榮獲2018年國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
朱美萍打趣地說道，和激光薄膜相處就有點像“談戀愛”。
她解釋道，在提升薄膜激光損傷閾值中，其實就是一個與缺陷相識、相知、相抑，再到相扶的過程。“開始要先去認識這個缺陷，接著要去了解這些缺陷以及其成因，然后盡可能去抑制這些缺陷。到最后，發(fā)現(xiàn)完全消滅這些缺陷基本上是不可能的。所以我們就想著法子去幫助這些缺陷能夠更好耐受激光。”
將AI運用到未來研究
超強超短激光的獨特性，讓它在激光加速、激光聚變、原子分子物理、材料科學、核物理、等離子體物理、高能量密度物理、天體物理、核醫(yī)學等領(lǐng)域具有重大應用價值，因此也是國際科技競爭重大前沿領(lǐng)域之一。
2017年10月24日深夜，上海“羲和”激光裝置首次實現(xiàn)10拍瓦激光放大輸出。這個“最強光”裝置從2016年1月4日立項，到2020年12月28日通過驗收，項目裝置從實現(xiàn) 10.3拍瓦激光放大輸出，到最高峰值功率達到12.9拍瓦，打破了世界紀錄。2021年以來，裝置面向用戶開放，產(chǎn)出的多項實驗結(jié)果也登上了國際重要的學術(shù)期刊。
在為最強光“造血管”的朱美萍看來，激光薄膜與激光技術(shù)是相輔相成的：激光薄膜性能的提升，能促進激光裝置的性能提升，激光裝置性能提升了之后，反過來又會對激光薄膜提出更高的要求。
“這兩年國際上激光技術(shù)的發(fā)展也對我們的研究領(lǐng)域有很大促進作用，因為在激光薄膜兩個比較大的應用領(lǐng)域：聚變激光和超強超短激光方面，國際上都有新動向。”
2022年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置實現(xiàn)“凈能量增益”。這是人類能源史上的重大突破，從科學原理和工程技術(shù)上驗證了未來核聚變能源的可行性，開啟了人類進入清潔能源時代的大門。
“激光聚變裝置性能的提升，也對薄膜元件提出了更高的要求。”朱美萍說，她們也在考慮如何將AI技術(shù)融合到激光薄膜技術(shù)中去。“這是一個必然的現(xiàn)象，現(xiàn)在我們已經(jīng)在初步探索機器學習怎么去優(yōu)化工藝。”在她看來，AI會幫她們節(jié)省多少時間和達到哪些效果目前并不知曉，但是肯定能縮短工藝優(yōu)化的時間，“因為我們可以喂它一些實驗數(shù)據(jù)，預測的結(jié)果就可以指導下一步工藝參數(shù)的調(diào)整”。
作為一名畢業(yè)就從事激光薄膜研究并堅持二十多年的科學家，朱美萍也強調(diào)要加大對青年科研工作人員的支持力度。
她說，近年來國家已經(jīng)出臺多個措施對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域給予長期穩(wěn)定的支持，讓一部分科研工作者幾年內(nèi)都不用考慮經(jīng)費專心做研究。但因為現(xiàn)在高校擴招，進入科研領(lǐng)域的青年人也越來越多，所以申請經(jīng)費支持的人數(shù)也是在逐年增加。
朱美萍提到的上述現(xiàn)象，也體現(xiàn)在了實際數(shù)據(jù)中。
教育部數(shù)據(jù)顯示，2023年全國共招收研究生130.17萬人，比上年增長4.76%。其中，招收博士生15.33萬人，比上年增長10.29%。在學研究生388.29萬人，比上年增長6.28%。其中，在學博士生61.25萬人，比上年增長10.14%。
國家自然科學基金委的報告顯示，隨著我國青年科研隊伍持續(xù)快速壯大，青年科學基金項目資助率仍呈現(xiàn)下降趨勢——已由2013年的25.2%降至2022年的17.23%。預計，未來10年每年的博士畢業(yè)人數(shù)仍將持續(xù)增長，到2030年左右達到峰值。
“希望國家層面能夠給予更多的資助。同時，要營造一種能夠?qū)捜菔〉姆諊Ｒ驗樽隹蒲小⒆邲]有走過的路，自然會有失敗的可能性。”朱美萍說。
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