激光钕玻璃——激光器的“心脏”

2016年3月，中科院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)在上海浦东张江建设的超强超短激光装置创造了激光瞬时输出功率世界纪录，这是科学家们历时几十年默默付出的成果，这项成果的核心材料之一是激光钕玻璃。什么是激光钕玻璃？它又是如何担起这么重要的角色？

图1 激光钕玻璃产品

激光钕玻璃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”激发下产生激光或放大激光能量，是激光器的“心脏”，也是目前人类所知的地球上能够输出最大能量的激光工作介质，数千片大尺寸高品质钕玻璃能将种子光(焦纳尔级10-9)迅速放大到小太阳量级(兆焦耳级106)，实现聚变反应。

图2 激光钕玻璃工作原理

激光钕玻璃具有受激发射截面大、激光增益系数高、非线性折射率小等特点，多用于国防军工、航空航天、核能等战略性领域，由于发达国家实行技术封锁和产品禁运，我国开始了漫长的自主技术研发道路。

图3 激光钕玻璃应用

从1964年起，上海光机所就开始了钕玻璃的研究，并走出了干福熹、姜中宏两位中科院院士，团队成员目前稳定在80多人。从第一代用于高能激光系统的硅酸盐钕玻璃，到现在用于神光系列激光聚变系统等高功率激光装置的N31型磷酸盐钕玻璃，整整经历了4次技术的代际提升。与硅酸盐钕玻璃相比，磷酸盐钕玻璃的能量放大能力是其10倍，是大功率激光装置所必需的核心材料。但是磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼技术挑战了光学玻璃制造极限。上海光机所的科研团队持续开展多年技术攻关，不断探索创新，取得了磷酸盐激光钕玻璃批量研制的三大关键核心技术突破：

(1)连续熔炼动态除羟基技术和杂质控制技术，保障钕玻璃中羟基吸收系数和铂颗粒指标达到国际领先水平；

(2)新型包边胶和包边工艺，并研发批量包边机械化设备，实现稳定可靠包边；

(3)包边剩余反射、铂颗粒检测方法，实现了钕玻璃批量制造的高效率、高精度检测技术全覆盖。

图4 激光钕玻璃生产制备成套技术

上海光机所在原有生产技术基础上进行创新，形成了配套设备自主化、关键工艺一体化、主体生产流程化，与原有生产技术比较，参数一致性提高2～3倍，生产效率提高10倍。

目前，中科院上海光学精密机械研究所已建成国内首条年产1 000片大尺寸高性能激光钕玻璃生产线，产品应用于神光系列装置、5拍瓦(1015W)超强超短激光装置等，满足国家重大战略需求，并出口法国、德国、以色列等国家，取得显著经济效益。这一成果凝聚了上海光机所半个世纪以来老中青三代科学家的科研心血。

“漫漫科研长路，敢为人先付出，创新技术传承，铸就大国匠气。”