每一位老板在進(jìn)入自己獨(dú)立科研時(shí)代所面臨的第一件事就是組建自己的實(shí)驗(yàn)室。我老板來自于光學(xué)領(lǐng)域，所以本文以超快激光實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)歷程為例，供同行參考。
老板于2014年全職回國(guó)，之后開始著手組建實(shí)驗(yàn)室，在經(jīng)歷一番波折之后，籌集到了千八百萬的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。這部分錢看著挺多，但在建造實(shí)驗(yàn)室的過程中才發(fā)現(xiàn)其實(shí)錢用得很快。很多意想不到的事情在不經(jīng)意間就會(huì)釀成不小的錯(cuò)誤，影響了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)度。下面簡(jiǎn)單從4個(gè)方面回顧一下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)歷程。
一選址
建設(shè)超快光學(xué)實(shí)驗(yàn)室首先面臨的問題就是選址（其實(shí)就是挑選房間）。我所在的研究所位于郊區(qū)，大樓接近二十層，空置區(qū)較多，但考慮到光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的精密性以及穩(wěn)定性要求，底層顯然是最佳選擇。很多人可能會(huì)說光學(xué)平臺(tái)不是都有氣浮嗎？誠(chéng)然，氣浮確實(shí)能夠使得平臺(tái)穩(wěn)定工作，但一旦遇上更高精度的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，中高層帶來的不確定性影響因素還是會(huì)大一些。
實(shí)驗(yàn)室的選址最終定在了一樓。為何沒有選擇地理位置更好的負(fù)一樓，主要原因還是錢的問題，省下來的錢最終拿來買了一些光學(xué)周邊配件。比如護(hù)目鏡、光功率計(jì)等。
選好地址之后，接下來就是裝修。光學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)潔凈度和溫度要求較高，一般建設(shè)為千級(jí)無塵間。所謂千級(jí)無塵，即千級(jí)無塵車間，是指微塵數(shù)量被嚴(yán)格控制在每立方米1000個(gè)以內(nèi)，這也就是業(yè)內(nèi)俗稱的1 k級(jí)別。建成后大致如下：
圖1 千級(jí)無塵室建成效果圖
由于沒有建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，因此選擇施工商也比較盲目。通過網(wǎng)上招標(biāo)的方式最終選擇了一家深圳的施工商。事實(shí)證明，由于地處異地，施工商需要從當(dāng)?shù)卣胰诉^來施工，大部分工人又都不愿意來干這樣的小工程。所以光找工人就花了接近兩個(gè)月的時(shí)間。施工過程中也遇到過很多問題，比如工期一拖再拖，吊頂少訂了一扇過濾網(wǎng)等，不勝枚舉。其中辛酸，冷暖自知，此處一筆帶過。因此，在選擇施工商時(shí)，最好還是選擇本地施工商較為靠譜，施工材料不夠訂起來也快。招當(dāng)?shù)毓と烁苫钜脖容^方便。
在超凈間建設(shè)期間有兩個(gè)問題值得引起注意：
首先就是拉電的問題。眾所周知很多光學(xué)設(shè)備用電并非普通家庭的220 V，很多時(shí)候用的是動(dòng)力電380 V，因此最好設(shè)置一個(gè)獨(dú)立配電柜，方便控制。
圖2 獨(dú)立配電柜供電系統(tǒng)
管道走線盡量不要暴露在室內(nèi)，可用管網(wǎng)固定，一來顯得美觀；二來也安全，避免有時(shí)候做實(shí)驗(yàn)不小心掛住。箭頭所示處皆為走線布置。左圖為地面走線；右圖為墻壁走線。
圖3 電纜走線
其次就是通風(fēng)制冷的問題，在建設(shè)千級(jí)無塵間時(shí)，我們的指標(biāo)是室溫24°C，濕度40%。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，我們需要的環(huán)境為室溫22±2°C。濕度35%±5%。因此還需額外的中央空調(diào)以及干燥機(jī)控制。中央空調(diào)是研究院統(tǒng)一配置，好處是不用自己操心，制冷方便；壞處是工作很不穩(wěn)定，一旦壞了實(shí)驗(yàn)就得立馬停下來。
我曾經(jīng)好幾次做實(shí)驗(yàn)做著做著就沒信號(hào)了。反應(yīng)過來才發(fā)現(xiàn)激光器已經(jīng)因?yàn)楦邷兀?6°C，飛秒激光對(duì)室溫要求較高）而停止工作。發(fā)生這樣的情況耽誤一天的實(shí)驗(yàn)尚且是小事，對(duì)激光器造成的損傷才是大事。所以老板后來一狠心，干脆自己掏錢買了幾個(gè)大空調(diào)，關(guān)于空調(diào)改造的細(xì)節(jié)后文再詳細(xì)介紹。
最后還有一些需要注意的小細(xì)節(jié)。若實(shí)驗(yàn)室需要常用氮?dú)?、氧氣以及其他氣體等。最好在主實(shí)驗(yàn)室旁邊單獨(dú)做個(gè)小隔間，方便放置氣瓶以及獨(dú)立配電柜等。
二布局
整體布局對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的重要性不言而喻，好的布局不禁讓人賞心悅目，而且做實(shí)驗(yàn)的也很方便。當(dāng)然這也要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體性質(zhì)決定。其實(shí)從這里就能看出實(shí)驗(yàn)室建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)的眼光，通常好的布局既要兼顧當(dāng)下即將開展的實(shí)驗(yàn)，也要為今后可能開展的實(shí)驗(yàn)預(yù)留空間。由于我們的實(shí)驗(yàn)室是超快激光實(shí)驗(yàn)室。這里簡(jiǎn)單介紹幾種布局供各位參考。
首先來看看比較常見的E字形布局，參觀的很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)室也都是基于此類布置。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是整體性好，各個(gè)光學(xué)平臺(tái)可以連接成一個(gè)整體。在工程師將其整體調(diào)節(jié)水平后，即可方便地開展實(shí)驗(yàn)，兩邊的凹槽也方便人員走動(dòng)，且各個(gè)平臺(tái)相對(duì)激光器的距離較近。避免了激光在空氣中長(zhǎng)距離傳播而影響光束品質(zhì)。
這種布局目前被廣泛采用，但也并非沒有缺點(diǎn)，如果實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較多，會(huì)顯得比較混亂，每個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性會(huì)受到影響。如果是剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的小白，不小心動(dòng)了中間平臺(tái)的鏡子，影響的可能就是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
圖4 E字形布局
E字形除了上述形式，還有下面的變種形式。我曾經(jīng)參觀的一個(gè)超快激光加工實(shí)驗(yàn)室就是此種布局。
圖5 E字形變種形式
接著是另一種相對(duì)而言比較少見的布局方式，各個(gè)光學(xué)平臺(tái)之間彼此分開。這種布局方式比較適用于數(shù)量較多的小型試驗(yàn)系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)彼此分開，互不影響。靠近激光器的平臺(tái)只需留出前端的一小部分作為激光傳播到后續(xù)平臺(tái)的空間即可。當(dāng)然這種方法的缺點(diǎn)也非常明顯，處于后端的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接收到的激光品質(zhì)會(huì)下降。如果室內(nèi)建設(shè)不達(dá)標(biāo)，會(huì)對(duì)飛秒激光的脈寬影響較大。
圖6 分割布局形式
對(duì)于單平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)布局，主要要求就是簡(jiǎn)單方便，電學(xué)類的實(shí)驗(yàn)儀器盡量不要放置在桌面。可以通過搭建腳手架等方式布置。比如：
圖7 腳手架安裝方式
或者比較高大上的吊頂布置，這類布置一般在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期就預(yù)留好了頂部安裝孔。
圖8 吊頂安裝方式（來源于網(wǎng)絡(luò)）
上述兩種情況均適用于比較固定的試驗(yàn)系統(tǒng)（即電學(xué)儀器）除此之外，使用小推車也是一種不錯(cuò)的選擇。電學(xué)儀器的移動(dòng)也更為方便。
圖9 手推車（圖片來自某寶）
最后上一張實(shí)驗(yàn)室的整體布局示意圖：
圖10 實(shí)驗(yàn)室整體布局圖
三 改建
南方的夏季相對(duì)來得較早，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于超快實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了不小的威脅。中央空調(diào)正常運(yùn)行時(shí)尚且不受影響。但一旦出了問題，輕則影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，這還是小事。一旦影響到激光器系統(tǒng)的運(yùn)行，就比較麻煩。今年夏季由于研究院的中央空調(diào)頻繁維修。我不止一次遇到激光器因?yàn)楦邷囟＿\(yùn)（26℃）。索性后來老板給力，一狠心決定自建空調(diào)冷卻系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)室的面積為6 m×14 m，包括用來放置罐裝氣體及其他零碎物的小型隔間。
考慮到實(shí)驗(yàn)室的面積及對(duì)溫度的要求（大約20℃-23℃），本實(shí)驗(yàn)室需要大約3臺(tái)功率為10匹的大型空調(diào)。根據(jù)空調(diào)的功率及總配電箱的位置來選擇電源連接線的直徑及長(zhǎng)度。
在外機(jī)的安裝過程中，需要考慮的因素就比較多，首當(dāng)其沖的就是需要考慮打孔的位置，方便內(nèi)外機(jī)連接。由于本實(shí)驗(yàn)室的外墻為隔熱板與玻璃，因此需要將玻璃敲碎后，換上打孔的鋼化玻璃。又因?yàn)殇摶Ａo法進(jìn)行打孔，因此必須先切割鉆孔后再鋼化處理，過程比較繁瑣。
對(duì)于三臺(tái)內(nèi)機(jī)的位置選擇，需要綜合考慮主要熱源及空氣流通的過程途徑區(qū)域以使散熱效率最大化。由于本實(shí)驗(yàn)室的主要熱源來自靠近隔間的激光系統(tǒng)，且該系統(tǒng)對(duì)溫度的要求也最為苛刻，因此三臺(tái)內(nèi)機(jī)以激光系統(tǒng)為起點(diǎn)成等距離排列，整體靠近激光器。
尤為需要注意的是內(nèi)機(jī)的搬運(yùn)過程最好避開實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，可以選擇旁邊實(shí)驗(yàn)室的頂層入口或者隔間的頂層入口，因?yàn)榘徇\(yùn)過程會(huì)攜帶大量灰塵碎屑。這對(duì)潔凈度要求極高的實(shí)驗(yàn)室來說是不能接受的。因此整個(gè)施工過程都需要避免灰塵的代入，一些容易產(chǎn)生灰塵碎屑的作業(yè)必須在實(shí)驗(yàn)室外完成。
此外，頂層的線路排布要求整齊劃一，縱橫分布，切忌雜亂無章。一旦出現(xiàn)問題也方便維修和查找缺漏。
四總結(jié)
讀研以來，算是基本見證了老板建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的全過程，中途也學(xué)到了很多，雖然自己以后不一定走這條路，但還是寫出來給有用的人參考。由于實(shí)驗(yàn)較忙，寫得比較倉促隨意，列位看官輕拍。
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