《科学画报》
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激光器的“玻璃心”
2020-10-28 10:29:00它是漂亮的玻璃，如水晶般纯净，透着绚丽的紫红色，外面还裹着一圈淡蓝色的包边。
它是神奇的玻璃，能将微不足道的激光能量放大到不可思议的量级，足以点亮“人造太阳”。
它是神秘的玻璃，仅有几个国家掌握制造它的关键技术。
它，就是钕玻璃。
激光器的“心脏”
钕玻璃是一种含有钕离子的特殊玻璃，它可以在泵浦光的激发下产生激光或对激光能量进行放大，是激光器的“心脏”。激光钕玻璃是目前人类所知能够输出最大能量的激光工作介质，它的性能直接决定了激光装置输出能量的潜力和质量。
数千片大口径高品质的激光钕玻璃在装置中，就像时刻准备着，只待一声令下就迸发战斗力的千军万马列阵，又像人类心脏一样反复“搏动”和“接力”，将激光能量放大。微弱得几乎无法察觉的激光经过一片片钕玻璃之后，像被施了魔法般越来越强大，以至于能够引发聚变反应。
钕玻璃拥有普通光学玻璃难以企及的“超能力”，同时也比它们“难伺候”。
它“性格”活泼，动不动就与其他物质“纠缠不清”，连生性懒惰的铂都会被它吸引。它还格外“娇气”。大尺寸激光钕玻璃成品须同时符合高光学质量、低应力等28个技术指标。温度低了，产生裂纹;湿度太大，容易发霉;包边胶的耐环境性差一点，会脱胶;还不能有附加应力，就算用手摸一下，手上的温度也会激发玻璃内部应力变化。
打磨完美玻璃
一般人很难想象把娇气又活泼的钕玻璃打磨成“完美玻璃”的艰辛。从1964年起，中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)就开始了钕玻璃的研究。经过三代人的努力，钕玻璃团队打破了国外技术封锁，为我国激光聚变装置研制了三代激光钕玻璃及其生产工艺技术，解决了国家的战略急需。
尤其是2005年以来，钕玻璃团队经过10多年持续攻关，逐项攻克了大尺寸激光钕玻璃批量制造涵盖的连续熔炼、精密退火、包边、检测四大关键核心技术，自主发明并建成了具有中国特色的首条大尺寸激光钕玻璃连续熔炼线，实现了大尺寸激光钕玻璃的批量生产。上海光机所已成为国际上独立掌握钕玻璃元件全流程生产技术的机构。
目前，团队研制的激光钕玻璃已经成功应用于我国“神光”系列激光装置和上海超强超短激光实验装置。看似脆弱的钕玻璃成为激光器的强大“心脏”，帮助科学家创造“人造太阳”，获得取之不尽、用之不竭的清洁能源;帮助他们解开物质世界的奥秘，回答宇宙起源等前沿科学问题。
迎难而上克难关
大尺寸激光钕玻璃成型是连续熔炼工艺中挑战极高的一个技术环节，其流量小，对光学均匀性要求高，却要像“摊大饼”一样达到特定的坯片规格。玻璃黏度大了摊不开，太小又会出现缺陷。3年时间，无数次实验，钕玻璃团队终于啃下了这块“硬骨头”。
在连续熔炼技术攻关的最初阶段，大尺寸钕玻璃总是在封闭式隧道窑中炸裂，这是钕玻璃团队面临的又一个困难。成型后的钕玻璃温度高达六七百摄氏度，需要在这个隧道窑里待上一星期，逐渐冷却到六七十摄氏度。实验初期，玻璃都在隧道窑里炸裂了。请来的外援专家到现场看了后说，这个问题他们也解决不了，在场的人都沉默了。钕玻璃团队秉着“只能上，不能退”的决心，花了半年时间，重新做方案，改变隧道窑的结构，最终解决了玻璃炸裂的问题。
钕玻璃包边成为阻挡他们前进的又一座大山。原有外购的包边胶存在容易脱胶、收缩大导致钕玻璃炸裂等问题。钕玻璃团队寻找了数家外协单位仍然未解决问题，于是决定自主研发钕玻璃包边胶。通过几年的持续攻关、上万次实验，他们最终研制出满足性能的包边胶，还成功研制出一整套机械化包边工艺，大大提升了钕玻璃包边性能和批量生产效率。
团队负责人胡丽丽说，没有团队的合作，这个项目不可能完成。挑战极限的科研攻关过程中失败是常态，成功来自在一次次失败中吸取和总结教训。这10多年的攻关中，钕玻璃团队所经历的失败不可胜数。每次失败后，大家会互相鼓励和安慰：“没关系，会成功的。”“我们再换一种方法试一下。”正是由于团队成员齐心协力、精诚合作，他们才最终战胜了困难，取得了钕玻璃批量制备技术的全链路技术攻关的成果。
文/中国科学院上海光学精密机械研究所
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