回望艰辛——中国激光钕玻璃的研制历程

姜中宏口述徐德祖访问并整理

　　摘要：

　　1953年秋天，作者离开南方来到凉爽的长春中国科学院仪器馆(现中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)，立即投入光学前辈王大珩、龚祖同先生组织领导的我国第一埚光学玻璃的研制和以后的推广工作中，亲身感受了我国光学玻璃从无到有、由弱到强的艰难与喜悦。

　　玻璃是我们十分熟悉的一种人工材料，从日常生活到高科技领域，都可以看到它的身影。玻璃最早出现在4000多年前的古埃及，中国最晚在战国时期就有了，当时称作琉璃。现代意义上的玻璃是清朝时由西方传教士带入中国的。

　　我与光学玻璃特别是激光钕玻璃打了60多年的交道。1953年秋天，我离开炎热的广州华南工学院(现华南理工大学)，辗转近一个星期，落脚凉爽的长春中国科学院仪器馆(现中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)，立即投入光学前辈王大珩、龚祖同先生组织领导的我国第一埚光学玻璃的研制和以后的推广工作中，亲身感受了我国光学玻璃从无到有、由弱到强的艰难与喜悦。1963年春天，由我主导研制成功的中国第一根钕玻璃棒获得激光输出以后，到2018年，55年过去了，中国科学院上海光学精密机械研究所已经发展成为国内唯一、国际第三、具备大尺寸高性能激光钕玻璃批量研制能力的专业机构。

　　激光钕玻璃是玻璃基质中掺杂了稀土发光离子钕离子以后生成的一种光功能玻璃，也可称作特殊的光学玻璃。目前，配置在我国高功率激光核聚变系列大型科学装置中的成百上千块大口径高品质激光钕玻璃片，经科学运行，可以将纳焦耳级的低能量激光放大到兆焦耳级的高能量激光。

　　这种瞬间的神奇，来源于长期的科研积累。追根溯源，我们要记住王大珩、龚祖同两位光学前辈为开创并建立我国的光学事业，尤其是光学玻璃工业所做出的卓越贡献。他们两位是引领我迈入这个科学殿堂的恩师，不仅给了我知识和技能，而且给了我为国家的科学事业可以忘我的精神。

　　我1953年秋天来到长春中国科学院仪器馆光学玻璃实验室工作，龚祖同先生带领我们夜以继日地辛勤工作，战胜失败与挫折，终于在1953年12月成功地获得了300升大坩埚K-8牌号的光学玻璃，揭开了中国光学玻璃制造的序幕。接下来的几年时间，我们一边借鉴国外成功的经验，一边在研制一系列不同品种和使用功能的光学玻璃中不断完善。同时，作为当时中国的光学玻璃研制基地，长春中国科学院仪器馆光学玻璃实验室通过培训技术骨干和援建光学玻璃厂，为建立我国的光学工业做出了贡献。

　　1961年11月，美国光学公司的斯尼泽(Snitzer)利用掺氧化钕的丝状玻璃获得了激光输出，成为激光钕玻璃的创始人。1961年12月15日的《物理评论快报》发表了斯尼泽撰写的论文《钕离子在钡冕玻璃中的光学微波行为》。1962年4月初，我结束了广州探亲返回长春后，仔细阅读了斯尼泽的论文，开始思考钕玻璃的研制工作。结合多年来熔炼光学玻璃过程中的积累，在同事们的协同下，我制成了一根5厘米长，直径为3毫米，两端面垂直平行的钕玻璃棒，获得了1064纳米波长的激光输出。这项实验成功的时间是1963年4月27日。这套实验装置成为我国激光技术发展史上出现的第一台钕玻璃激光器，中国的激光钕玻璃也随即问世。

　　磷酸盐激光钕玻璃的研制及应用研究，至今已有40多年的历史，留下了我们闪光的足迹。一项研究工作，一种激光材料持续时间如此之长，如此之深入，三代人殚精竭虑，初心不减，是我国激光画卷中浓墨重彩的一笔。

　　强激光技术的重大前沿研究，是"激光惯性约束核聚变"。这项研究的长远目标是获取清洁的聚变能源，包括我国在内的不少国家，都集中人力，财力持久地积极发展一代又一代量级更高，规模更大的大型高功率激光驱动装置，作为核心材料的激光钕玻璃研究与开发持续深入，方兴未艾。

　　相比于一般光学玻璃，大型高功率激光装置应用的钕玻璃的性能要求极其苛刻，制备工艺十分复杂，涉及面十分广，难度非常大。半个多世纪以来，我与同事们急国家之所急，攻坚克难，谱写了激光钕玻璃研制，特别是制备工艺方面的灿烂篇章。细数起来主要有以下几方面。

　　(1)激光钕玻璃的杂质控制技术。我们采用多种方式与上海多家化工试剂厂合作试制用于激光钕玻璃研制的"特定"纯度原料，制定了激光钕玻璃用原料的采购标准和分析检测手段。激光钕玻璃研制所需的特定纯度原料的研制，得到上级有关部门和兄弟单位的协作及大力支持。20世纪90年代以来，为了解决磷酸盐激光钕玻璃特定纯原料问题，我们自己建立了一个专门生产磷酸盐激光钕玻璃原料的基地。这个基地为激光钕玻璃的研制提供了多种磷酸盐原料，满足了高性能磷酸盐激光钕玻璃研制对原料纯度的需求。

　　(2)反应气氛法消除磷酸盐玻璃中的羟基，即除水工艺。根据磷酸盐原料含水的现实情况，借鉴石英光纤中采用反应气氛法消除氢氧根的技术，1985年，蒋亚丝首先在磷酸盐激光玻璃中采用含氯气氛除水，取得良好结果，玻璃中的氢氧根含量达到国外激光玻璃相同水平。日本豪雅(Hoya)公司直到1987年才出现相关工作。气氛反应除水技术作为我国低氢氧根含量的高功率磷酸盐激光钕玻璃制造的关键技术，在激光钕玻璃的坩埚熔炼和连续熔炼工艺中发挥了重要作用。

　　(3)氧化法消除激光钕玻璃中的铂颗粒，即除铂工艺。早期的激光实验中已发现钕玻璃内部会出现气泡状破坏，国内外认为是产生了热裂，尝试用降低玻璃膨胀系数的方法解决。1965-1980年，我们与国外同样使用了全陶瓷熔炼工艺及利用气氛铂金熔炼两种工艺方法，但均未能达到完满的除铂金颗粒效果。20世纪90年代，我和我的学生张勤远采用热力学方法对激光玻璃除铂机理进行了研究，可以在除水的同时除铂。1995年后，在国家863计划经费的支持下，张俊洲带领大家自主研发了四氧化碳结合铂金坩埚独特设计消除铂颗粒的方法，在半连续埚熔炼工艺中获得了很好的除铂金效果。2005年后，钕玻璃连续熔炼工艺研究启动，发展了连续熔炼除铂颗粒技术。除铂颗粒后的连熔N31型激光钕玻璃激光损伤阈值高于国外同类最优产品，是高性能激光钕玻璃制备的关键技术保障。

　　(4)激光钕玻璃包边技术。高功率激光玻璃放大器对激光能量的有效放大能力，在很大程度上取决于对主激光方向以外其他方位自发辐射放大行为的抑制程度，是保证激光系统最终输出能量水平的关键。激光钕玻璃的包边技术，就是要有效吸收1微米发光的含铜离子，包边玻璃通过有机黏合剂粘在激光钕玻璃的侧面，保证激光钕玻璃的增益指标。我们发展了两种玻璃的包边技术，一种是20世纪80年代，朱从善课题组研发的硬包边技术，成功应用于"神光I"装置中椭圆形片状N21磷酸盐激光玻璃的包边。另一种是1992年以后发展的激光钕玻璃的软包边技术。1996年在"神光II"装置中应用的N31型激光玻璃，均采用软包边技术进行包边。2006-2014年，我们自主研发了采用热固化有机包边胶的低应力包边技术，并成功应用于950片400毫米口径大尺寸N31型磷酸盐激光钕玻璃的包边。

　　(5)激光钕玻璃的坩埚熔炼技术。1964-1970年，在大型熔炼设备尚未建成时，所里使用上海新沪玻璃厂单坩埚浇注成型工艺。所厂合作研制大尺寸硅酸盐激光钕玻璃，制造了各种规格的玻璃棒和片，包括1969年制造的，世界上至今仍是体量最大的5米长玻璃棒。1974年完成20升坩埚熔炼工艺实验，1976年完成60升坩埚熔炼工艺实验。其间，我们还试制成功300升捣打涂层坩埚和含铁低的瓷土捣打坩埚，建立了用50升不透明石英坩埚熔炼磷酸盐激光玻璃的设备，工艺和原材料。

　　1978年，上海市科学技术委员会投资在中国科学院上海光学精密机械研究所建设了钕玻璃车间，开展磷酸盐激光钕玻璃生产工艺研究：1982年，建造成13升铂系统密闭熔炼，坩埚底部玻璃流出浇注成型(熔炼，搅拌系统，铂管辅助加热，浇注车等)的全套设备。形成了当时国内第一套间歇熔炼，大块高光学均匀激光钕玻璃的制造设备，提高了钕玻璃质量和成品率。1984年，采用15升铂坩埚和漏料成型技术，为"神光I"高功率激光装置生产了全部N21磷酸盐激光钕玻璃元件。

　　1993年底，国家863计划投入经费，张俊洲领导的钕玻璃课题独创了磷酸盐激光玻璃的半连续坩埚熔炼工艺，解决了遗留多年的激光钕玻璃制备工艺的除羟基除水和除铂颗粒两大技术难题。2000年，采用20升半连续坩埚熔炼工艺为"神光I"装置研制了N31激光钕玻璃。2002年，半连续坩埚熔炼技术具备了小批量研制磷酸盐激光钕玻璃的能力。2007年，进一步发展和完善了坩埚熔炼的技术，产能和能力，开发了激光钕玻璃50升铂金坩埚溶制工艺，形成了批量生产能力。目前，坩埚熔炼技术继续为新型激光钕玻璃和小批量激光钕玻璃的研制发挥着重要作用。

　　(6)激光钕玻璃的连续熔炼技术。为了满足我国高功率激光装置急需研制千片大尺寸磷酸盐激光钕玻璃。2005年，胡丽丽领导的钕玻璃项目团队开始研发磷酸盐激光钕玻璃的连续熔炼工艺技术。经过长达7年的不懈努力，项目组于2012年取得大尺寸N31磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼工艺技术的突破，掌握了激光钕玻璃的批量制备工艺技术，部分性能指标优于国外最优同类产品。

　　笔者作为参与者和见证者，对于科研的艰辛与成功的喜悦，对于党和国家的高度重视与亲切关怀，有着切身的理解与体会。我国的激光钕玻璃研究历程，充满着坎坷与艰辛。

　　注：姜中宏，92岁，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，中国科学院院士：徐德祖。78岁，中国科学院上海光学精密机械研究所五级职员。

　　源自：《我心向党科学报国-科学家精神在这里闪光》，科学出版社，2021