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激光是最強(qiáng)的人造光，其能量足以在地球上制造“人造太陽(yáng)”。你可能不知道，點(diǎn)亮“人造太陽(yáng)”離不開(kāi)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(lái)，但是它就像人體的血管一樣重要。有了它，科學(xué)家才能讓只知道直線前行的激光乖乖“聽(tīng)話”，完全按照人類的意愿，有次序地奔赴同一靶點(diǎn)。

在激光聚變、超強(qiáng)超短激光等裝置中，有成千上萬(wàn)件不同口徑的薄膜元件。這些元件不但要抵擋住“所向無(wú)敵”的高能激光的沖擊，保障高功率激光裝置不會(huì)“自傷”，還要高效地“指揮”激光向靶點(diǎn)前進(jìn)，引導(dǎo)激光束在裝置中傳輸。可以說(shuō)，一旦離開(kāi)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(xué)家對(duì)薄膜的性能要求越來(lái)越高。薄膜要足夠強(qiáng)韌，才能承受激光的沖擊——就像人體的血管，如果不夠強(qiáng)韌，很容易因承受不住過(guò)高的血壓而破裂。但是，高性能激光薄膜很容易“受傷”，因?yàn)榧す饽芰康母叨燃袝?huì)導(dǎo)致元件內(nèi)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(shù)值決定了薄膜元件能不能把激光能量完整地“護(hù)送”到靶點(diǎn)。它是衡量激光薄膜元件性能的一項(xiàng)“金指標(biāo)”。

半世紀(jì)接力奮斗

作為保證激光在高功率激光系統(tǒng)中按設(shè)計(jì)要求傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一，激光薄膜元件在慣性約束聚變激光、超強(qiáng)超短激光、空間激光等領(lǐng)域有廣泛而重要的用途，其品質(zhì)在很大程度上決定了激光系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷強(qiáng)度、可靠性和光束的質(zhì)量。然而，很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我國(guó)高性能、大尺寸激光薄膜元件制備技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平;同時(shí)，西方國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)我國(guó)實(shí)施嚴(yán)密的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)。相關(guān)技術(shù)成為許多國(guó)防戰(zhàn)略和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的主要瓶頸之一。為了突破這一難關(guān)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡(jiǎn)稱“上海光機(jī)所”)的科研人員接力奮斗了半個(gè)多世紀(jì)。

1964年，上海光機(jī)所建所，薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室同步成立，成為中國(guó)第一支專業(yè)從事激光薄膜研究的團(tuán)隊(duì)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，四代科研人員攻堅(jiān)克難，緊緊聚焦大能量與高功率激光這個(gè)國(guó)家重大戰(zhàn)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(tǒng)工程解決方案，攻克了系列關(guān)鍵技術(shù)難題，成功建立了應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與工程應(yīng)用的自主創(chuàng)新生態(tài)鏈，取得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大創(chuàng)新成果。

高性能激光薄膜的制備是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)交叉學(xué)科。研究人員既要考慮薄膜設(shè)計(jì)與制備，也要關(guān)注原材料和元件的檢測(cè)，以及激光與薄膜態(tài)材料的相互作用。經(jīng)過(guò)抽絲剝繭般的梳理，團(tuán)隊(duì)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?yàn)橐谥睆浇?米的薄膜元件中找出微米級(jí)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(jī)放置的沙粒。

經(jīng)過(guò)不懈的探索，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了薄膜光熱吸收測(cè)試裝置和方法，實(shí)現(xiàn)了缺陷3D分布的快速探測(cè)，得出了損傷點(diǎn)多起源于基底-膜層界面的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了激光“預(yù)植”缺陷技術(shù)，揭示了基底-膜層缺陷的耦合機(jī)制。

他們從各工序最大限度地抑制缺陷源，開(kāi)發(fā)了新型“無(wú)界面”多層膜沉積技術(shù)，通過(guò)雙源共蒸實(shí)現(xiàn)兩種鍍膜材料交替界面的連續(xù)過(guò)渡，有效解決了界面缺陷密度高、結(jié)合力差、存在駐波場(chǎng)和應(yīng)力突變的問(wèn)題。

團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，完美的“零缺陷”大口徑基片是不存在的。為此他們創(chuàng)新性地提出結(jié)構(gòu)性缺陷“縫合”技術(shù)，使得結(jié)構(gòu)性缺陷處損傷閾值接近無(wú)缺陷膜層。

不斷挑戰(zhàn)新高度

有了足夠強(qiáng)韌的薄膜，激光裝置功率才可能沖擊新高度。上海光機(jī)所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為唯一供貨單位，為我國(guó)神光系列聚變點(diǎn)火裝置提供了所有偏振薄膜元件。神光裝置幾度升級(jí)，對(duì)薄膜的要求不斷提升，這支團(tuán)隊(duì)始終能研制出保障裝置運(yùn)行的激光薄膜，有力地支撐了我國(guó)下一代激光聚變點(diǎn)火裝置的研制。

他們的成果支撐上海超強(qiáng)超短激光裝置實(shí)現(xiàn)了10拍瓦國(guó)際最高激光放大輸出功率，使我國(guó)在該領(lǐng)域占據(jù)國(guó)際制高點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)支撐100拍瓦裝置的建設(shè)。據(jù)悉，神光裝置需要薄膜能夠承受納秒級(jí)的激光沖擊，而百拍瓦超強(qiáng)超短激光裝置則對(duì)薄膜提出了飛秒級(jí)的更高要求。團(tuán)隊(duì)成員滿懷信心，迎接又一次挑戰(zhàn)。

此外，他們研制的激光薄膜元件還成功應(yīng)用于神舟與天宮交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)和多項(xiàng)空間型號(hào)工程任務(wù)，簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，降低了載荷……

從跟跑到超越

上海光機(jī)所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制備工藝技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

2019年，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的基頻激光反射薄膜損傷閾值國(guó)際競(jìng)賽中，上海光機(jī)所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的激光反射薄膜脫穎而出，以領(lǐng)先第二名65%的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)勇奪世界第一。

該競(jìng)賽由美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)起，代表光學(xué)材料激光損傷研究領(lǐng)域的國(guó)際最高水平。上海光機(jī)所參加了8次，與前幾次相比，此次他們的優(yōu)勢(shì)更加明顯。這表明，中國(guó)能生產(chǎn)出世界上最強(qiáng)韌的激光薄膜。在國(guó)際范圍內(nèi)的激光薄膜損傷閾值提升競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)從跟跑、并跑，最終實(shí)現(xiàn)了超越。

更令人自豪的是，這是一支完全由中國(guó)自主培養(yǎng)的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)里沒(méi)有一位獲得海外學(xué)位的成員。為了將脆弱的激光薄膜打造成強(qiáng)韌的“血管”，團(tuán)隊(duì)的幾代成員鍥而不舍，忘我追求。他們?cè)诩す鈸p傷與反激光的“矛”與“盾”的較量中，堅(jiān)定執(zhí)著地追求“打不壞”的激光薄膜。這支看似普普通通的團(tuán)隊(duì)，敢為人先，銳意進(jìn)取，才逐步斬獲并保持世界第一，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高功率激光薄膜技術(shù)的跨越發(fā)展。