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打破西方技术封锁,我国激光薄膜技术领跑世界

第一财经2018-10-11 17:56:05

简介:依靠不断提升的自主研发实力,中国的激光薄膜技术已经达到世界领先水平。

高功率高能激光技术及装置是国防战略和新兴产业的制高点之一,对国家安全和国民经济建设具有重大支撑作用。中国激光薄膜器件的核心技术、关键工艺和高端器件长期受到国外封锁与禁运,但数十年磨一剑,依靠不断提升的自主研发实力,中国的激光薄膜技术已经达到世界领先水平。

让激光“万宗归一”的“独门元件”

10月9日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室传来了2018年基频激光反射薄膜元件激光损伤阈值国际竞赛结果:中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院强激光材料重点实验室薄膜光学实验室(下称“薄膜光学实验室”)研制的激光反射薄膜元件再次以高达94J/cm2的功能性激光损伤阈值折桂,与2012年、2013年获胜相比,优势更加明显,损伤阈值高出第二名20%。

激光能量的高度集中会引起介质内部或表面的局部变形甚至完全被损坏。激光损伤阀值是指介质在单位面积上所能承受的最大激光功率。激光损伤阈值代表着这个元件“控制指挥”激光的能力,其数值大小决定着能不能把激光能量完整地护送到靶点。

薄膜光学实验室学术总顾问范正修研究员向第一财经记者介绍道,高功率激光薄膜是构成激光聚变装置、超强超短激光等强激光系统不可或缺的元件。“高功率激光反射薄膜是唯一能迫使只按直线前行的强激光按照人类意志改变行径的‘独门元件’。为此,高功率激光反射薄膜不但需要抵挡住高能激光的冲击,保障不会伤害到高功率激光装置自身,而且还要高效地引导激光的方向,使得入射到它表面的激光完全按照人们的意志,‘万宗归一’有次序地奔赴同一靶点。”范正修说道。

过去很长一段时间,我国的高功率激光器、激光雷达、激光测距、激光切割等装置一直存在突出的薄膜器件损伤问题,导致激光系统无法长时间满负荷运行,这已成为制约高功率高能激光技术应用和发展的瓶颈。

但近年来,激光技术的迅速发展推动了光学薄膜空前的进步。应用于高功率激光系统的光学薄膜,还需同时具有高的激光损伤阈值和低的薄膜应力。中科院光机所薄膜光学实验室,隶属于中国科学院强激光材料重点实验室,致力于研发高功率、超强超快和空间等激光系统所需的薄膜元件。

范正修研究员对第一财经记者表示:“中国在国际范围内的激光薄膜损伤阈值提升竞争中,从跟跑、并跑,最终实现超越,并通过本次竞赛的绝对优势强化了我国在本领域的国际领先地位。”他还告诉第一财经记者,实验室研制的薄膜元件基本能用于所有的激光领域,长波从几个微米,到短波X射线基本都能够覆盖。

大尺寸激光薄膜反射元件

打破封锁 半个世纪磨一剑

“高功率激光薄膜的制备是一个工艺环节冗长、复杂的系统工程,涉及多学科交叉,极其复杂,难度极大。”薄膜光学实验室项目带头人邵建达研究员告诉第一财经记者。当今世界规模最大的激光聚变装置是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的美国国家点火装置,其中有数千件米级尺寸薄膜元件和数万件中小口径薄膜元件。

长期以来,西方国家对我国实施严密的技术封锁和产品禁运。现在薄膜光学实验室凭借半个世纪的努力,攻坚克难,终于提出并逐步完善了激光薄膜研制全流程控制的系统工程解决方案,攻克了系列关键技术难题,成功建立了应用基础研究、关键技术攻关与工程应用的自主创新生态链,取得了具有自主知识产权的重大创新成果。

根据国家统计局、科学技术部和财政部联合发布的最新《2017年全国科研经费投入统计公报》显示,2017年,我国研究与试验发展(R&D)经费投入总量超过1.76万亿元,同比增长12.3%;R&D占GDP比重超过2%,再创历史新高。投入总量与美国差距正在逐年缩小。

作为激光技术发展的支撑基础,上海光机所薄膜光学实验室与建所同步,也是我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队,为我国神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置等系统提供了大量高性能核心激光薄膜元件。

激光是科学研究的重要工具,许多研究需要将短脉冲的功率以几何级数放大,然而峰值功率过强的脉冲光会损害光放大的晶体媒介。科学家就想出了一个非常聪明的办法,先将短的无啁啾脉冲拉伸成长的啁啾脉冲,降低其峰值功率,等放大后,再压缩回短的无啁啾脉冲。这就是啁啾脉冲放大技术(CPA)的由来。

今年刚刚公布的诺贝尔奖物理学奖将另一半授予了啁啾脉冲放大技术(CPA)的发明者——法国高等科技学院(ENSTA)极端光研究所所长、巴黎综合理工学院教授Gérard Mourou和他的学生、加拿大滑铁卢大学的国际著名光学专家、美国光学学会前主席Donna Strickland,表彰他们发明了这种能生成高强度,超短光脉冲的方法。这也是21世纪以来,诺贝尔物理学奖第六次颁给光学相关领域。

中科院上海光机所所长李儒新此前接受采访时对第一财经表示:“超强激光光源研究正处于取得重大科技突破和开拓重大应用的前夜,国际上竞争态势异常激烈,我国在超强激光装置的研制方面有很好的基础和特色,该领域是我国科学家可望取得重大突破并在国际上跻身最前列的前沿科技领域。”

责编:刘佳

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