可控核聚變技術(shù)是被全人類寄予厚望的未來能源方式，也被譽為人類理想的終極能源，不過目前還沒有一個國家成功實現(xiàn)。
在實現(xiàn)激光驅(qū)動可控核聚變的過程中，高功率激光驅(qū)動器裝置的“心臟”——大尺寸激光釹玻璃，是不可或缺的核心材料，其批量制備的關(guān)鍵技術(shù)被稱為美國國家點火裝置(NIF)的七大奇跡之首。中國科學院上海光機所學術(shù)委員會副主任、先進激光與光電功能材料部研究員胡麗麗和她的研究團隊，就是攻克大尺寸激光釹玻璃批量制備關(guān)鍵技術(shù)的科研人。
進入21世紀，胡麗麗和團隊開始新型激光玻璃研發(fā)和大尺寸激光釹玻璃高效批量生產(chǎn)的連續(xù)熔煉技術(shù)的攻關(guān)征程，解決了大尺寸釹玻璃批量制備所需要的全部關(guān)鍵技術(shù)難題，上海光機所也成為國際上首家獨立掌握激光釹玻璃元件全部流程生產(chǎn)技術(shù)的單位。
就在去年，她榮獲國際非晶態(tài)材料領(lǐng)域著名獎項——N.F.Mott獎，成為該獎項自設立以來首位中國獲獎者，今年胡麗麗又獲得國際玻璃協(xié)會主席獎。
“我們的研究最后是要實際應用的，所以我非常樂意從實驗室的基礎(chǔ)研究出發(fā)，然后將研究成果做出來投入應用?！焙慃惤战邮艿谝回斀?jīng)采訪時說。她還透露，團隊正將AI引入新型玻璃研發(fā)，推動特種玻璃研究的范式創(chuàng)新。
金葉子/攝
激光核聚變的“心臟”
隨著全球能源安全競爭加劇，世界主要國家在核聚變領(lǐng)域布局明顯加速，國際聚變技術(shù)發(fā)展迅猛。美國在2022年12月，就成功實現(xiàn)了核聚變反應的更大能量盈余，截至目前，美國已實現(xiàn)6次激光核聚變點火。
2024年，科技部、工業(yè)和信息化部等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，指出加強推進以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。實現(xiàn)聚變能源應用是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標。
今年1月，我國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克EAST裝置獲得重大成果，成功實現(xiàn)了上億度1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模運行新的世界紀錄，讓人們對于聚變能的應用又有了新的期待。
采用激光驅(qū)動是另一種實現(xiàn)核聚變的方式，實現(xiàn)激光驅(qū)動的可控核聚變，離不開自主可控的激光釹玻璃。由于尺寸大、性能指標要求極高，大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)挑戰(zhàn)了光學玻璃制造極限，被稱為美國國家點火裝置的七大奇跡之首。美國聯(lián)合德國和日本兩家頂級光學玻璃公司進行了持續(xù)6年的共同攻關(guān)，實現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉，認為這項技術(shù)難度極高。在完成美國和法國兩大激光聚變裝置的釹玻璃供貨任務后，他們拆除了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉線。
因此，攻克大尺寸釹玻璃批量制備成套技術(shù)成為胡麗麗等科研工作者們亟待解決的難題。
胡麗麗解釋，之所以說激光釹玻璃是激光核聚變的“心臟”，是由于它是一種含有稀土發(fā)光離子——釹離子的特殊玻璃，可以在“泵浦光”的激發(fā)下產(chǎn)生激光或?qū)す饽芰窟M行放大，是激光器的“心臟”。激光釹玻璃性能的好壞直接決定了激光裝置輸出能量，是目前人類所知地球上能夠輸出最大能量的激光工作介質(zhì)。在被稱為“人造小太陽”的激光核聚變大科學裝置中，激光釹玻璃一直發(fā)揮著不可替代的作用。
中國科學院上海光機所從1964年建所到二十世紀末，以干福熹院士、姜中宏院士為代表的激光釹玻璃團隊，三十多年來在激光釹玻璃的研究上取得了從無到有的創(chuàng)新，先后研制了硅酸鹽激光釹玻璃、N21及N31磷酸鹽激光釹玻璃，為我國“神光”系列裝置提供了核心工作物質(zhì)。
自2005年起，胡麗麗和團隊從基礎(chǔ)研究出發(fā)，對新型高增益激光釹玻璃研發(fā)、大尺寸激光釹玻璃批量制備涵蓋的連續(xù)熔煉、精密退火、包邊、檢測四大關(guān)鍵核心技術(shù)進行了近十年的持續(xù)攻關(guān)。其中難度最大的當數(shù)大尺寸激光釹玻璃的連續(xù)熔煉技術(shù)攻關(guān)。2012年，在大家的共同努力下終于攻克了連續(xù)熔煉工藝攻關(guān)中的難題，設計建立了激光釹玻璃連熔中試生產(chǎn)線，完成了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉關(guān)鍵技術(shù)集成，最終實現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉工藝、測試技術(shù)、包邊工藝、精密退火全鏈條關(guān)鍵技術(shù)集成和貫通。相關(guān)成果先后榮獲2016年度“上海市技術(shù)發(fā)明特等獎”、2017年度“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”、2022年度“中國科學院杰出科技成就獎”。
“我們攻關(guān)過程中確實遇到了非常多的挑戰(zhàn)，特別是隨著實驗的推進，一個接一個的問題都暴露出來，也沒有別的辦法，只能自己坐下來查文獻，從非?；A(chǔ)的理論出發(fā)。比如包括玻璃熔體的流動行為在玻璃成型過程中會有什么樣的變化。除此之外，大家經(jīng)常把測試數(shù)據(jù)拿出來討論和推理，這些失敗的數(shù)據(jù)都是我們的成功之母?！焙慃惛嬖V記者。
金葉子/攝
解決產(chǎn)業(yè)界需求
不只是激光釹玻璃，胡麗麗還在摻鐿大模場石英光纖、高功率摻釹石英光纖以及高純石英玻璃等方面取得了關(guān)鍵突破。
以高功率激光光纖為例，由于光纖激光器是用光纖作激光介質(zhì)的激光器，具有理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、免維護、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點，其應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船和外科手術(shù)等。進入21世紀以來，光纖激光器逐步占據(jù)了激光器市場的半壁江山，但是部分高功率激光光纖產(chǎn)品卻難以從國際市場獲得。胡麗麗自2011年以來便和團隊聚焦影響高功率激光光纖的激光效率、功率穩(wěn)定性和長期可靠性三個難點問題，用8年時間在國內(nèi)率先攻克了萬瓦級摻鐿大模場光纖的批量制備關(guān)鍵技術(shù)。
企業(yè)作為技術(shù)創(chuàng)新主體，對市場需求更為敏感。
“2018年的時候，有一個高科技企業(yè)找到我們，說能不能幫他們做高功率激光光纖，因為他們在國際上買不到產(chǎn)品。那個時候正好我們也在做這方面的研究工作，所以團隊就和企業(yè)密切溝通，反復迭代產(chǎn)品，解決了他們的實際需求?！焙慃愓f。
萬瓦級摻鐿激光光纖的技術(shù)突破使得我國高功率光纖激光器裝上了國產(chǎn)“芯”，降低了高功率激光器的制造成本。2019年以來，團隊實現(xiàn)直接銷售額超過2億元、間接經(jīng)濟效益超過18億元；此外還滿足了空間環(huán)境等高功率光纖激光器的應用急需。
胡麗麗研究員在實驗室 金葉子/攝
而對于未來的研究布局，從業(yè)38年的胡麗麗也有新的想法。
在她看來，隨著AI的發(fā)展，玻璃的研究范式亟待改變。“我們正將AI引入新型玻璃研發(fā)，也在打造涵蓋玻璃結(jié)構(gòu)性能表征、分子動力學模擬、AI輔助建模的玻璃構(gòu)效關(guān)系研究平臺?！彼榻B，希望在“十五五”期間構(gòu)建一個集高通量制備、AI輔助建模、結(jié)構(gòu)表征驗證的特種玻璃材料構(gòu)效關(guān)系平臺。
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