科研故事：神光的化學(xué)膜從沒(méi)掉過(guò)鏈子

　　1994年，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合室)張偉清組建了一個(gè)新的課題組——化學(xué)涂膜課題組。與其他課題組相比，化學(xué)涂膜課題組不大，但它對(duì)中國(guó)的慣性約束核聚變激光裝置具有非常重要的意義。

　　在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展化學(xué)法制備光學(xué)高激光損傷閾值膜層的研制。

　　首次將高激光損傷閾值減反膜和防潮膜應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高功率激光領(lǐng)域。

　　自主研制的溶膠凝膠減反膜層比肩國(guó)際先進(jìn)水平。

　　日前，原化學(xué)涂膜課題組的負(fù)責(zé)人——唐永興研究員向中國(guó)激光講述了化學(xué)涂膜課題組的奮斗歷程。

　　課題組成員合影

　　服務(wù)神光：“這個(gè)課題組是隨著神光Ⅱ的立項(xiàng)而成立的”

　　1994年，

　　神光Ⅱ正式立項(xiàng)，日后將服務(wù)于三倍頻激光的物理打靶實(shí)驗(yàn)。由于高通量激光輻照，光學(xué)元件受損嚴(yán)重，如何提高三倍頻光學(xué)元件的損傷閾值成了神光Ⅱ裝置一道過(guò)不去的坎。核心光學(xué)倍頻、三倍頻元件-磷酸二氫鉀(KDP)晶體的保護(hù)膜層是防護(hù)的關(guān)鍵。

　　在此之前，因KDP晶體易潮解，一般把晶體浸泡在折射率匹配的有機(jī)溶液中使用，這種方法抗激光損傷能力差，無(wú)法滿足神光Ⅱ的需求。上世紀(jì)八十年代，美國(guó)在建造Nova裝置時(shí)，首次成功研發(fā)了應(yīng)用于KDP晶體的化學(xué)法防潮膜和減反膜，又延續(xù)應(yīng)用于NIF裝置。

　　神光Ⅱ項(xiàng)目需求迫在眉睫，聯(lián)合室委任張偉清組建化學(xué)涂膜課題組，跟蹤美國(guó)Nova的成功經(jīng)驗(yàn)，決心攻克晶體膜層這道難關(guān)。

　　八年奮戰(zhàn)：“在國(guó)內(nèi)，我們是第一個(gè)成功的”

　　當(dāng)時(shí)，查閱文獻(xiàn)后了解到，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室在高功率激光裝置中使用了化學(xué)法的防潮膜和減反膜，相比傳統(tǒng)真空法膜層具有更高的激光破壞閾值。經(jīng)過(guò)神光Ⅱ總體技術(shù)組領(lǐng)導(dǎo)論證決策，最終決定在神光Ⅱ項(xiàng)目中也采用類(lèi)似的化學(xué)涂膜方案——以溶膠凝膠法制備有機(jī)硅防潮膜和多孔性二氧化硅減反膜。

　　這種方案要求：在KDP晶體表面先涂一層防潮解膜，再涂一層和折射率匹配的減反膜，這樣既可以解決倍頻器晶體的易潮解問(wèn)題，減少表面反射率，還能承受強(qiáng)激光輻射。但國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有人成功開(kāi)展過(guò)這方面的研究，我們只能憑借手頭的文獻(xiàn)，自己摸索如何實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。從文獻(xiàn)到技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，這條路還很長(zhǎng)。

　　從1994年到2000年，有好多研究人員在啃這塊硬骨頭，嘗試過(guò)很多方法，但都沒(méi)有成功。時(shí)間緊、任務(wù)重，我們身上的壓力非常大。如果這項(xiàng)技術(shù)做不好，會(huì)極大地影響整個(gè)神光Ⅱ項(xiàng)目的進(jìn)展。我們一點(diǎn)一點(diǎn)摸索著進(jìn)行配方試驗(yàn)，設(shè)計(jì)涂膜方法，再應(yīng)用到大元件上。期間，試驗(yàn)失敗了無(wú)數(shù)次，最終敲定了配方方案，研制成溶膠凝膠減反膜層，終于攻克了光學(xué)元件嚴(yán)重受損的技術(shù)難關(guān)。

　　1999年，

　　單路三倍頻激光的兩塊晶體達(dá)標(biāo);2000年，八路倍頻、三倍頻激光的涂膜晶體全面達(dá)標(biāo);2001年，神光Ⅱ高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置順利通過(guò)了國(guó)家級(jí)技術(shù)鑒定和驗(yàn)收。KDP晶體膜層的激光損傷閾值完全滿足了神光Ⅱ項(xiàng)目的合同指標(biāo)要求。

　　神光Ⅱ裝置的KDP晶體、打靶透鏡、防濺射板、隔板玻璃等各類(lèi)元件都使用的是我們制備的溶膠凝膠減反膜。時(shí)至今日，神光Ⅱ裝置運(yùn)行這么多年，進(jìn)行了無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，從來(lái)沒(méi)有在化學(xué)膜層上受到限制。

　　化學(xué)涂膜實(shí)驗(yàn)

　　立身?yè)P(yáng)名：“作為中國(guó)的技術(shù)，我們應(yīng)該知足”

　　溶膠凝膠防潮膜減反膜的成功研制，為中國(guó)慣性約束核聚變激光裝置的順利發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，而在神光Ⅱ之后的九路裝置、神光Ⅱ升級(jí)裝置，以及神光Ⅲ晶體膜層都使用的是這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)(可能有所改善)。

　　2002年前后，中物院激光聚變研究中心籌備神光Ⅲ的原型裝置時(shí)也需要這項(xiàng)技術(shù)。我們服從大局，花費(fèi)一年的時(shí)間進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給中物院。之后，這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)在神光Ⅲ裝置中得以大力推廣。

　　二十余年來(lái)，我們課題組得到了國(guó)家和單位領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，先后得到了中科院與中物院、863課題等國(guó)家項(xiàng)目的資助。同時(shí)，課題組也取得了很多的成績(jī)，在九五期間被評(píng)為先進(jìn)課題組，十五期間被評(píng)為“863研究先進(jìn)個(gè)人”。

　　在“2010年國(guó)際膜層激光損傷水平競(jìng)賽”中，課題組選送的溶膠凝膠減反膜樣品的激光損傷閾值指標(biāo)獲得最佳結(jié)果。在這屆比賽中，共有來(lái)自不同國(guó)家的29家單位寄送了樣品，11家國(guó)際著名鍍膜(涂膜)公司和科研單位參與了實(shí)際測(cè)試，赫赫有名的美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)漢諾威激光中心均在參賽名單中。強(qiáng)手如云拔得頭籌，這標(biāo)志著我們的溶膠凝膠減反膜層達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

　　聯(lián)合室化學(xué)涂膜組參加測(cè)試樣品為溶膠-凝膠多孔性SiO2減反膜(Sol-gel SiO2 Dip Coating)，涂膜基片為康寧熔石英7980，直徑為50mm，厚為10mm。比賽結(jié)果中聯(lián)合室化學(xué)膜破壞閾值最高(左圖最右紅色)。

　　歷經(jīng)20余載，溶膠凝膠減反膜技術(shù)在高功率激光裝置中經(jīng)受住了考驗(yàn);發(fā)展到今天，這一技術(shù)的生命力愈加強(qiáng)大，也需要與時(shí)俱進(jìn)。這是高功率激光物理聯(lián)合室的技術(shù)突破，更是一項(xiàng)印有“中國(guó)”的技術(shù)。在繼承中發(fā)展，在發(fā)展中創(chuàng)新，對(duì)于未來(lái)，我們?nèi)杂衅诖?/p>

　　展望十三五，化學(xué)膜課題組將在前期研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展DKDP晶體化學(xué)膜研制工作，采用單面涂膜工藝制備不同厚度需求的防潮減反膜，解決大尺寸元件單面涂膜邊緣效應(yīng)問(wèn)題，提升晶體類(lèi)元件光學(xué)性能;研究噴涂新工藝，制備氙燈及隔板玻璃寬帶減反膜;不斷優(yōu)化工藝流程，為高功率激光裝置制備高性能優(yōu)質(zhì)化學(xué)膜。