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(yù)為人類理想的終極能源，不過目前還沒有一個(gè)國家成功實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)可控核聚變的過程中，高功率激光驅(qū)動(dòng)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(diǎn)火裝置(NIF)的七大奇跡之首。中國科學(xué)院上海光機(jī)所學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任、先進(jìn)激光與光電功能材料部研究員胡麗麗和她的研究團(tuán)隊(duì)，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(jìn)入21世紀(jì)，胡麗麗和團(tuán)隊(duì)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(jī)所也成為國際上首家獨(dú)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(jiǎng)項(xiàng)——N.F.Mott獎(jiǎng)，成為該獎(jiǎng)項(xiàng)自設(shè)立以來首位中國獲獎(jiǎng)?wù)?，今年胡麗麗又獲得國際玻璃協(xié)會(huì)主席獎(jiǎng)。

“我們的研究最后是要實(shí)際應(yīng)用的，所以我非常樂意從實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究出發(fā)，然后將研究成果做出來投入應(yīng)用?！焙慃惤战邮艿谝回?cái)經(jīng)采訪時(shí)說。她還透露，團(tuán)隊(duì)正將AI引入新型玻璃研發(fā)，推動(dòng)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(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的更大能量盈余，截至目前，美國已實(shí)現(xiàn)6次激光核聚變點(diǎn)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(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》，指出加強(qiáng)推進(jìn)以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。實(shí)現(xiàn)聚變能源應(yīng)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(biāo)。

今年1月，我國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克EAST裝置獲得重大成果，成功實(shí)現(xiàn)了上億度1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模運(yùn)行新的世界紀(jì)錄，讓人們對(duì)于聚變能的應(yīng)用又有了新的期待。

采用激光驅(qū)動(dòng)是另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方式，實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)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(biāo)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(xué)玻璃制造極限，被稱為美國國家點(diǎn)火裝置的七大奇跡之首。美國聯(lián)合德國和日本兩家頂級(jí)光學(xué)玻璃公司進(jìn)行了持續(xù)6年的共同攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉，認(rèn)為這項(xiàng)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(wù)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(jìn)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(xué)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(xué)院上海光機(jī)所從1964年建所到二十世紀(jì)末，以干福熹院士、姜中宏院士為代表的激光釹玻璃團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)研究出發(fā)，對(duì)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(jìn)行了近十年的持續(xù)攻關(guān)。其中難度最大的當(dāng)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(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎng)”、2017年度“國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”、2022年度“中國科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”。

“我們攻關(guān)過程中確實(shí)遇到了非常多的挑戰(zhàn)，特別是隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，一個(gè)接一個(gè)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(xiàn)，從非?；A(chǔ)的理論出發(fā)。比如包括玻璃熔體的流動(dòng)行為在玻璃成型過程中會(huì)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(hù)、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船和外科手術(shù)等。進(jìn)入21世紀(jì)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(tuán)隊(duì)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(gè)難點(diǎn)問題，用8年時(shí)間在國內(nèi)率先攻克了萬瓦級(jí)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(duì)市場需求更為敏感。

“2018年的時(shí)候，有一個(gè)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?yàn)樗麄冊(cè)趪H上買不到產(chǎn)品。那個(gè)時(shí)候正好我們也在做這方面的研究工作，所以團(tuán)隊(duì)就和企業(yè)密切溝通，反復(fù)迭代產(chǎn)品，解決了他們的實(shí)際需求?！焙慃愓f。

萬瓦級(jí)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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)直接銷售額超過2億元、間接經(jīng)濟(jì)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(yīng)用急需。

胡麗麗研究員在實(shí)驗(yàn)室 金葉子/攝

而對(duì)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(dòng)力學(xué)模擬、AI輔助建模的玻璃構(gòu)效關(guān)系研究平臺(tái)?！彼榻B，希望在“十五五”期間構(gòu)建一個(gè)集高通量制備、AI輔助建模、結(jié)構(gòu)表征驗(yàn)證的特種玻璃材料構(gòu)效關(guān)系平臺(tái)。