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新民周刊:打造“钕玻璃”的女科学家


看上去,这似乎是一块再普通不过的紫红色玻璃。她的制造者是中国科学院上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员领衔的团队。

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  然而,这可能又是世界上最昂贵的一块玻璃。它有足够“傲娇”的资本。
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  紫红色的激光钕玻璃之所以骄傲,是因为这是一种含有稀土发光离子——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”。激光钕玻璃性能的好坏直接决定了激光装置输出能量的潜力和质量,是目前人类所知地球上能够输出最大能量的激光工作介质。在被称为地球上的“小太阳”的激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)装置中,激光钕玻璃一直发挥着不可替代作用。
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  与此同时,钕玻璃又是娇气的。
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  在坩埚中极其活跃,动不动就与其他物质“来电”;与包边胶“一言不合”就炸裂;温度低了,会有裂纹;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,要知道就算用手摸一下,手上的温度也会引发玻璃内部应力变化……
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? ? 激光工作的最强心脏
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  其实,对钕玻璃我们并不陌生,科创上海的“国之利器”——有望于今年在国际上率先实现10拍瓦激光输出的上海超强超短激光装置(SULF),其泵浦源就使用钕玻璃作为激光工作介质。
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  数千片大口径高品质的激光钕玻璃在装置中,就像时刻准备一声令下迸发战斗力的“千军万马”列阵,又像人类“心脏”一样反复“搏动”和“接力”,将微不足道(纳焦耳级10-9)的激光能量放大到“小太阳”量级的能量(兆焦耳级106)。胡丽丽说,钕玻璃中含有的钕离子,练就了一身在能级的“摩天大厦”里奔上跑下的好功夫,可以在能级的大幅跃迁过程中形成已知最大能量的激光。这个“太阳”在我国科学家手中,将为保证国家安全、实现清洁聚变能源的长远目标,并且回答宇宙起源等前沿科学研究发挥重大作用。目前,批量制造的大尺寸激光钕玻璃已成功应用于我国“神光”系列激光装置和开展前沿基础研究的5拍瓦超强超短激光装置。
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  胡丽丽领衔团队取得的钕玻璃项目重大突破在于掌握了“大尺寸高性能激光钕玻璃批量制造的关键技术” ,中国科学院上海光学精密机械研究所也因此成为国际上首家独立掌握激光钕玻璃元件全流程生产技术的机构。该团队因此获得2016年度上海市技术发明奖特等奖。还是听胡丽丽来讲述一下她是怎么伺候这位玻璃家族中最金贵最娇气的“超能力公主”的吧。
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? ? 无价之宝的极限挑战
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  美、英、法、日都已拥有厉害的高功率激光实验装置,在激光钕玻璃的研究上也抢得先机。其中,世界上最大的钕玻璃激光聚变装置——美国国家点火装置(NIF)更是将激光钕玻璃连续熔炼技术列为自家七大技术奇迹之首。
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  一块钕玻璃标准件的表面积远不及一块汽车挡风玻璃,但其身价却足抵一辆高档轿车,用“无价之宝”来形容它也并不为过——掌握激光钕玻璃关键技术的西方国家对我国实施严格的技术封锁和产品禁运。因此,上海光机所自1964年建所以来就矢志拿下这顶玻璃研究界的“皇冠”。尤其是最近十几年持续攻关,在钕玻璃的连续熔炼、精密退火、包边、检测等四大关键核心技术上逐项打破国外技术封锁,取得了以连续熔炼为核心的大尺寸激光钕玻璃批量制造关键技术的突破,实现了涵盖大尺寸激光钕玻璃连续熔炼、包边和高精度检测的三项核心技术发明,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。
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  由于激光钕玻璃技术指标要求极高并且尺寸大,激光钕玻璃的连续熔炼挑战了玻璃连续熔炼技术的极限,就是美国也是在联合德国和日本二家顶级光学玻璃公司后才掌握。而如今,我们一家就挑战成功了!
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  目前,我国唯一的年产1200片大尺寸高性能磷酸盐激光钕玻璃的批量制造线,就在上海光机所,它已为神光系列等装置提供全部大尺寸钕玻璃,直接销售额3.76亿元,间接经济效益5.13亿元。
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  在技术攻关开始前,国内仅有中科院上海光机所掌握了激光钕玻璃单片熔炼技术,连续熔炼技术还从来没有做过。摸索从一口坩埚开始。单片熔炼用的坩锅不能用于连续熔炼,连续熔炼要求使用耐侵蚀、杂质少的坩埚,为此团队找遍了合作伙伴。通过自主研发和与国内优势单位的合作,前后用了5年时间解决了这个问题。
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  大尺寸的钕玻璃,在成型阶段,其流量非常小,只有单片熔炼的20分之一,却要像“摊大饼”一样达到810×500×55mm的坯片规格,玻璃黏度大了摊不开,太小又会出现缺陷。最困难的时候,退休的老科学家也上阵了。“做了不下一百次实验,用了3年时间,终于攻下了这个难题。”胡丽丽说。
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  也有找不到方向的时候,但胡丽丽相信“绝地”之后就会有转机。记者在钕玻璃的生产车间看到一个30多米长的封闭式隧道窑,别看它貌不惊人,却大有乾坤。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呆上一个星期,逐渐冷却到六七十度。实验开始的头几次,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。“这个时候不能退,只能上了!”胡丽丽当场拍板再起炉灶,带领团队用半年时间重新做方案,改变隧道窑的结构,解决了玻璃炸裂的问题。
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  胡丽丽说,最难的是连续熔炼与包边。比如,从一个坩埚一个坩埚地手工熔制,到半自动生产线,再到现在的全自动流水线,在流动中为钕玻璃除水。要知道,没有除好水的钕玻璃不仅易发霉,而且能量放大率将大打折扣,为钕玻璃坯片包边,不仅要无缝黏合,而且要吸收杂散光,控制应力,对复合材料黏合剂的要求近乎苛刻。
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  仅仅是对包边胶的研究,也持续了整整两年时间。市面上原有的包边胶和包边工艺易产生附加应力导致钕玻璃断裂;原有包边胶耐光热辐射性能差,易导致包边失效。全新研发的包边胶首先要保证光的折射率与钕玻璃匹配,同时收缩率要小,否则的话会影响钕玻璃的激光性能;同时还必须具有超强的耐环境性和耐氙灯辐照,实验过程中因为胶水的收缩率过大,娇气的钕玻璃发了好几次脾气,动辄来个炸裂。
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  普通人可能很难想象把娇气又活泼的钕玻璃打磨成“完美玻璃”的艰辛——成品需同时符合高光学质量、低应力、无铂颗粒等夹杂物、高一致性等28个技术指标,时间更是长达4-6个月之久。目前,上海光机所的钕玻璃产品,在核心技术指标中,4项领先国外同类产品,其余与之相当,批量制造钕玻璃参数一致性较原来技术提高2-3倍,生产效率提高10倍。
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? ? 女科学家的玻璃之缘
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  钕玻璃散发着迷人的紫红色之光。而紫红色,正是胡丽丽最喜欢的颜色。每次出席正式的场合,她都会特意穿上红色。在胡丽丽和钕玻璃之间,到底有着怎样的不解之缘?
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  胡丽丽1963年出生于江西省新建县,她从小就在读书这件事上表现出了一股“钻劲”,上高中的时候,每次遇到数学难题,老师总是满怀期许点名叫她回答。这段经历让胡丽丽对“困难”有了更多认识,在对激光钕玻璃的12年科研攻关中,她总是告诉自己,再难的问题总会找到答案。
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  20世纪80年代在浙江大学完成材料学本科、硕士学习之后,胡丽丽报考了上海光机所博士,由此结缘钕玻璃。胡丽丽说,钕玻璃的两位“掌门人”——干福熹和姜中宏院士在光学材料方面有很深的造诣,“两位院士一个是我的导师,一个是直接指导老师,在我事业起步时给予莫大帮助。”
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  一晃20多年,两位老院士年届耄耋之龄,上海光机所的激光钕玻璃通过53年的研发,也历经了三代。选择了做科研,就一定要坚持。胡丽丽感佩地说,她的导师、姜中宏院士今年87岁了,还一直在思考怎么做下一代激光材料,从未停止过对科学问题的探索。
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  不管是年近八旬的父母,还是丈夫和女儿,都说胡丽丽是“工作狂”,希望她的生活能够慢下来。尽管对家人心怀内疚,但胡丽丽很难停下来。在这个团队,日历上被标注的都是工程任务节点。急性子的她每次出门都是等别人的那个人,一天24小时在她看来根本不够用。除了朝八晚六的工作节奏,她晚上在家里还要工作一两个小时,就连每个双休日的下午,她也在办公室工作。
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  这么多年,她养成了一个习惯,每天一定要去玻璃熔制车间里转一转。由于连续熔炼技术的需要,机器一旦运转起来,就要24小时不间断地开上好几个月,这支团队已连续7个春节在车间里度过。即使有时半夜三更出差回来,她也要先到车间去看上一眼。在钕玻璃连续熔炼技术研发的关键时期,经常在车间开现场会,熬夜到半夜成了家常便饭,第二天她照样抖擞着精神准时来上班。
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  5年前,由于升级改造的需要,单位场地搬迁了一次。胡丽丽原本骑车到单位只需10分钟,一下远了六七公里,在路上的时间大大增加。当时年近50岁的她,毫不犹豫就去学了车,只为能多“挤”出一点时间来工作。
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  这几年,在同事们眼中,胡丽丽苍老了许多。“胡老师一头的白发,就是在钕玻璃连续熔炼工艺研发压力最大的时候冒出来的,那个时候她也就40来岁吧。她太拼了,以至于我们经常都会忘记她的性别。”上海光机所正高级工程师陈树彬说道。
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  作为此番上海市科学技术奖榜单里“凤毛麟角”的女科学家,胡丽丽备受关注,但她说,不管男女,做一番事业,都要付出,无需刻意打上性别标签。
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  尽管如此,身为一名传统女性,她也坦言,女性要做点事业,需付出更多的努力。
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  说成功,胡丽丽说,没有团队的合作精神,这个项目完不成。对于钕玻璃来说,失之毫厘谬以千里,每一个环节都容不得半点差池。
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  谈失败,她说,对于科研而言,失败是常态,都是在一次次失败中吸取教训、逐步成长。这10多年的攻关中,项目团队所经历的失败次数更是难以列举,“关键是要有信心,大家要齐心协力”。
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  别人眼中类似于“苦行僧”的生活,胡丽丽却觉得“何其有幸”能参与其中。在科学的世界里,“未知”总是吸引着她,“不可能”亦从来未曾束缚过她。
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  20余载年华伴随钕玻璃,女科学家胡丽丽身上也开始散发出迷人的紫红色光芒。(记者|陈冰)



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