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)驗室(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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用于國內高功率激光領(lǐng)域。

　　自主研制的溶膠凝膠減反膜層比肩國際先進(jìn)水平。

　　日前，原化學(xué)涂膜課題組的負責人——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(gè)課題組是隨著(zhù)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(shí)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(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(wú)法滿(mǎn)足神光Ⅱ的需求。上世紀八十年代，美國在建造Nova裝置時(shí)，首次成功研發(fā)了應用于KDP晶體的化學(xué)法防潮膜和減反膜，又延續應用于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：“在國內，我們是第一個(gè)成功的”

　　當時(shí)，查閱文獻后了解到，美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)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)導論證決策，最終決定在神光Ⅱ項目中也采用類(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，還能承受強激光輻射。但國內當時(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，自己摸索如何實(shí)現這項技術(shù)。從文獻到技術(shù)的實(shí)現，這條路還很長(cháng)。

　　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。如果這項技術(shù)做不好，會(huì )極大地影響整個(gè)神光Ⅱ項目的進(jìn)展。我們一點(diǎn)一點(diǎn)摸索著(zhù)進(jìn)行配方試驗，設計涂膜方法，再應用到大元件上。期間，試驗失敗了無(wú)數次，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(shí)驗裝置順利通過(guò)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(mǎn)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(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裝置運行這么多年，進(jìn)行了無(wú)數次實(shí)驗，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

　　立身?yè)P名：“作為中國的技術(shù)，我們應該知足”

　　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(shí)也需要這項技術(shù)。我們服從大局，花費一年的時(shí)間進(jìn)行技術(shù)培訓，將這項技術(shù)轉讓給中物院。之后，這項技術(shù)繼續在神光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家和單位領(lǐng)導的大力支持，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(shí)，課題組也取得了很多的成績(jì)，在九五期間被評為先進(jìn)課題組，十五期間被評為“863研究先進(jìn)個(gè)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果。在這屆比賽中，共有來(lái)自不同國家的29家單位寄送了樣品，11家國際著(zhù)名鍍膜(涂膜)公司和科研單位參與了實(shí)際測試，赫赫有名的美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)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(zhù)我們的溶膠凝膠減反膜層達到了國際先進(jìn)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(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(lái)，我們仍有期待。

　　展望十三五，化學(xué)膜課題組將在前期研究的基礎上，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。