科研故事：神光的化學(xué)膜從沒掉過鏈子

　　1994年，高功率激光物理聯(lián)合實驗室(以下簡稱聯(lián)合室)張偉清組建了一個新的課題組——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，但它對中國的慣性約束核聚變激光裝置具有非常重要的意義。

　　在國內(nèi)率先開展化學(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際先進水平。

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

　　課題組成員合影

　　服務(wù)神光：“這個課題組是隨著神光Ⅱ的立項而成立的”

　　1994年，

　　神光Ⅱ正式立項，日后將服務(wù)于三倍頻激光的物理打靶實驗。由于高通量激光輻照，光學(xué)元件受損嚴重，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)晶體的保護膜層是防護的關(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溶液中使用，這種方法抗激光損傷能力差，無法滿足神光Ⅱ的需求。上世紀八十年代，美國在建造Nova裝置時，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Nova的成功經(jīng)驗，決心攻克晶體膜層這道難關(guān)。

　　八年奮戰(zhàn)：“在國內(nèi)，我們是第一個成功的”

　　當(dāng)時，查閱文獻后了解到，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗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項目中也采用類似的化學(xué)涂膜方案——以溶膠凝膠法制備有機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題，減少表面反射率，還能承受強激光輻射。但國內(nèi)當(dāng)時并沒有人成功開展過這方面的研究，我們只能憑借手頭的文獻，自己摸索如何實現(xiàn)這項技術(shù)。從文獻到技術(shù)的實現(xiàn)，這條路還很長。

　　從1994年到2000年，有好多研究人員在啃這塊硬骨頭，嘗試過很多方法，但都沒有成功。時間緊、任務(wù)重，我們身上的壓力非常大。如果這項技術(shù)做不好，會極大地影響整個神光Ⅱ項目的進展。我們一點一點摸索著進行配方試驗，設(shè)計涂膜方法，再應(yīng)用到大元件上。期間，試驗失敗了無數(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標;2000年，八路倍頻、三倍頻激光的涂膜晶體全面達標;2001年，神光Ⅱ高功率激光實驗裝置順利通過了國家級技術(shù)鑒定和驗收。KDP晶體膜層的激光損傷閾值完全滿足了神光Ⅱ項目的合同指標要求。

　　神光Ⅱ裝置的KDP晶體、打靶透鏡、防濺射板、隔板玻璃等各類元件都使用的是我們制備的溶膠凝膠減反膜。時至今日，神光Ⅱ裝置運行這么多年，進行了無數(shù)次實驗，從來沒有在化學(xué)膜層上受到限制。

　　化學(xué)涂膜實驗

　　立身揚名：“作為中國的技術(shù)，我們應(yīng)該知足”

　　溶膠凝膠防潮膜減反膜的成功研制，為中國慣性約束核聚變激光裝置的順利發(fā)展提供了強有力的技術(shù)保障，而在神光Ⅱ之后的九路裝置、神光Ⅱ升級裝置，以及神光Ⅲ晶體膜層都使用的是這項關(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的原型裝置時也需要這項技術(shù)。我們服從大局，花費一年的時間進行技術(shù)培訓(xùn)，將這項技術(shù)轉(zhuǎn)讓給中物院。之后，這項技術(shù)繼續(xù)在神光Ⅲ裝置中得以大力推廣。

　　二十余年來，我們課題組得到了國家和單位領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，先后得到了中科院與中物院、863課題等國家項目的資助。同時，課題組也取得了很多的成績，在九五期間被評為先進課題組，十五期間被評為“863研究先進個人”。

　　在“2010年國際膜層激光損傷水平競賽”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獲得最佳結(jié)果。在這屆比賽中，共有來自不同國家的29家單位寄送了樣品，11家國際著名鍍膜(涂膜)公司和科研單位參與了實際測試，赫赫有名的美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室、德國漢諾威激光中心均在參賽名單中。強手如云拔得頭籌，這標志著我們的溶膠凝膠減反膜層達到了國際先進水平。

　　聯(lián)合室化學(xué)涂膜組參加測試樣品為溶膠-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;發(fā)展到今天，這一技術(shù)的生命力愈加強大，也需要與時俱進。這是高功率激光物理聯(lián)合室的技術(shù)突破，更是一項印有“中國”的技術(shù)。在繼承中發(fā)展，在發(fā)展中創(chuàng)新，對于未來，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，重點開展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)問題，提升晶體類元件光學(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。