打造“釹玻璃”的女科學(xué)家

陳冰

在科學(xué)的世界里，“未知”總是吸引著她，“不可能”亦從來未曾束縛過她。20余載年華伴隨釹玻璃，女科學(xué)家胡麗麗身上也開始散發(fā)出迷人的紫紅色光芒。

看上去，這似乎是一塊再普通不過的紫紅色玻璃。她的制造者是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所胡麗麗研究員領(lǐng)銜的團隊。

然而，這可能又是世界上最昂貴的一塊玻璃。它有足夠“傲嬌”的資本。

紫紅色的激光釹玻璃之所以驕傲，是因為這是一種含有稀土發(fā)光離子——釹離子的特殊玻璃，它可以在“泵浦光”的激發(fā)下產(chǎn)生激光或?qū)す饽芰窟M行放大，是激光器的“心臟”。激光釹玻璃性能的好壞直接決定了激光裝置輸出能量的潛力和質(zhì)量，是目前人類所知地球上能夠輸出最大能量的激光工作介質(zhì)。在被稱為地球上的“小太陽”的激光慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF）裝置中，激光釹玻璃一直發(fā)揮著不可替代作用。

與此同時，釹玻璃又是嬌氣的。

在坩堝中極其活躍，動不動就與其他物質(zhì)“來電”；與包邊膠“一言不合”就炸裂；溫度低了，會有裂紋；濕度太大，容易發(fā)霉；包邊膠的耐環(huán)境性差一點，會脫膠；還不能有附加應(yīng)力，要知道就算用手摸一下，手上的溫度也會引發(fā)玻璃內(nèi)部應(yīng)力變化……

激光工作的最強心臟

其實，對釹玻璃我們并不陌生，科創(chuàng)上海的“國之利器”——有望于今年在國際上率先實現(xiàn)10拍瓦激光輸出的上海超強超短激光裝置（SULF），其泵浦源就使用釹玻璃作為激光工作介質(zhì)。

數(shù)千片大口徑高品質(zhì)的激光釹玻璃在裝置中，就像時刻準(zhǔn)備一聲令下迸發(fā)戰(zhàn)斗力的“千軍萬馬”列陣，又像人類“心臟”一樣反復(fù)“搏動”和“接力”，將微不足道（納焦耳級10-9）的激光能量放大到“小太陽”量級的能量（兆焦耳級106）。胡麗麗說，釹玻璃中含有的釹離子，練就了一身在能級的“摩天大廈”里奔上跑下的好功夫，可以在能級的大幅躍遷過程中形成已知最大能量的激光。這個“太陽”在我國科學(xué)家手中，將為保證國家安全、實現(xiàn)清潔聚變能源的長遠目標(biāo)，并且回答宇宙起源等前沿科學(xué)研究發(fā)揮重大作用。目前，批量制造的大尺寸激光釹玻璃已成功應(yīng)用于我國“神光”系列激光裝置和開展前沿基礎(chǔ)研究的5拍瓦超強超短激光裝置。

胡麗麗領(lǐng)銜團隊取得的釹玻璃項目重大突破在于掌握了“大尺寸高性能激光釹玻璃批量制造的關(guān)鍵技術(shù)” ，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所也因此成為國際上首家獨立掌握激光釹玻璃元件全流程生產(chǎn)技術(shù)的機構(gòu)。該團隊因此獲得2016年度上海市技術(shù)發(fā)明獎特等獎。還是聽胡麗麗來講述一下她是怎么伺候這位玻璃家族中最金貴最嬌氣的“超能力公主”的吧。

無價之寶的極限挑戰(zhàn)

美、英、法、日都已擁有厲害的高功率激光實驗裝置，在激光釹玻璃的研究上也搶得先機。其中，世界上最大的釹玻璃激光聚變裝置——美國國家點火裝置（NIF）更是將激光釹玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)列為自家七大技術(shù)奇跡之首。

一塊釹玻璃標(biāo)準(zhǔn)件的表面積遠不及一塊汽車擋風(fēng)玻璃，但其身價卻足抵一輛高檔轎車，用“無價之寶”來形容它也并不為過——掌握激光釹玻璃關(guān)鍵技術(shù)的西方國家對我國實施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運。因此，上海光機所自1964年建所以來就矢志拿下這頂玻璃研究界的“皇冠”。尤其是最近十幾年持續(xù)攻關(guān)，在釹玻璃的連續(xù)熔煉、精密退火、包邊、檢測等四大關(guān)鍵核心技術(shù)上逐項打破國外技術(shù)封鎖，取得了以連續(xù)熔煉為核心的大尺寸激光釹玻璃批量制造關(guān)鍵技術(shù)的突破，實現(xiàn)了涵蓋大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉、包邊和高精度檢測的三項核心技術(shù)發(fā)明，自主發(fā)明并建成了具有中國特色的首條大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉線，實現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃的批量生產(chǎn)。

由于激光釹玻璃技術(shù)指標(biāo)要求極高并且尺寸大，激光釹玻璃的連續(xù)熔煉挑戰(zhàn)了玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)的極限，就是美國也是在聯(lián)合德國和日本二家頂級光學(xué)玻璃公司后才掌握。而如今，我們一家就挑戰(zhàn)成功了！

目前，我國唯一的年產(chǎn)1200片大尺寸高性能磷酸鹽激光釹玻璃的批量制造線，就在上海光機所，它已為神光系列等裝置提供全部大尺寸釹玻璃，直接銷售額3.76億元，間接經(jīng)濟效益5.13億元。

在技術(shù)攻關(guān)開始前，國內(nèi)僅有中科院上海光機所掌握了激光釹玻璃單片熔煉技術(shù)，連續(xù)熔煉技術(shù)還從來沒有做過。摸索從一口坩堝開始。單片熔煉用的坩鍋不能用于連續(xù)熔煉，連續(xù)熔煉要求使用耐侵蝕、雜質(zhì)少的坩堝，為此團隊找遍了合作伙伴。通過自主研發(fā)和與國內(nèi)優(yōu)勢單位的合作，前后用了5年時間解決了這個問題。

大尺寸的釹玻璃，在成型階段，其流量非常小，只有單片熔煉的20分之一，卻要像“攤大餅”一樣達到810×500×55mm的坯片規(guī)格，玻璃黏度大了攤不開，太小又會出現(xiàn)缺陷。最困難的時候，退休的老科學(xué)家也上陣了?！白隽瞬幌乱话俅螌嶒?，用了3年時間，終于攻下了這個難題?！焙慃愓f。

也有找不到方向的時候，但胡麗麗相信“絕地”之后就會有轉(zhuǎn)機。記者在釹玻璃的生產(chǎn)車間看到一個30多米長的封閉式隧道窯，別看它貌不驚人，卻大有乾坤。成型后的釹玻璃溫度高達六七百攝氏度，需要在這個隧道窯里呆上一個星期，逐漸冷卻到六七十度。實驗開始的頭幾次，玻璃都在隧道窯里炸裂了。請來的外援專家，到現(xiàn)場看了后說這個問題他們也解決不了，在場的人都沉默了。“這個時候不能退，只能上了！”胡麗麗當(dāng)場拍板再起爐灶，帶領(lǐng)團隊用半年時間重新做方案，改變隧道窯的結(jié)構(gòu)，解決了玻璃炸裂的問題。

胡麗麗說，最難的是連續(xù)熔煉與包邊。比如，從一個坩堝一個坩堝地手工熔制，到半自動生產(chǎn)線，再到現(xiàn)在的全自動流水線，在流動中為釹玻璃除水。要知道，沒有除好水的釹玻璃不僅易發(fā)霉，而且能量放大率將大打折扣，為釹玻璃坯片包邊，不僅要無縫黏合，而且要吸收雜散光，控制應(yīng)力，對復(fù)合材料黏合劑的要求近乎苛刻。

僅僅是對包邊膠的研究，也持續(xù)了整整兩年時間。市面上原有的包邊膠和包邊工藝易產(chǎn)生附加應(yīng)力導(dǎo)致釹玻璃斷裂；原有包邊膠耐光熱輻射性能差，易導(dǎo)致包邊失效。全新研發(fā)的包邊膠首先要保證光的折射率與釹玻璃匹配，同時收縮率要小，否則的話會影響釹玻璃的激光性能；同時還必須具有超強的耐環(huán)境性和耐氙燈輻照，實驗過程中因為膠水的收縮率過大，嬌氣的釹玻璃發(fā)了好幾次脾氣，動輒來個炸裂。

普通人可能很難想象把嬌氣又活潑的釹玻璃打磨成“完美玻璃”的艱辛——成品需同時符合高光學(xué)質(zhì)量、低應(yīng)力、無鉑顆粒等夾雜物、高一致性等28個技術(shù)指標(biāo)，時間更是長達4-6個月之久。目前，上海光機所的釹玻璃產(chǎn)品，在核心技術(shù)指標(biāo)中，4項領(lǐng)先國外同類產(chǎn)品，其余與之相當(dāng)，批量制造釹玻璃參數(shù)一致性較原來技術(shù)提高2-3倍，生產(chǎn)效率提高10倍。

女科學(xué)家的玻璃之緣

釹玻璃散發(fā)著迷人的紫紅色之光。而紫紅色，正是胡麗麗最喜歡的顏色。每次出席正式的場合，她都會特意穿上紅色。在胡麗麗和釹玻璃之間，到底有著怎樣的不解之緣？

胡麗麗1963年出生于江西省新建縣，她從小就在讀書這件事上表現(xiàn)出了一股“鉆勁”，上高中的時候，每次遇到數(shù)學(xué)難題，老師總是滿懷期許點名叫她回答。這段經(jīng)歷讓胡麗麗對“困難”有了更多認識，在對激光釹玻璃的12年科研攻關(guān)中，她總是告訴自己，再難的問題總會找到答案。

20世紀(jì)80年代在浙江大學(xué)完成材料學(xué)本科、碩士學(xué)習(xí)之后，胡麗麗報考了上海光機所博士，由此結(jié)緣釹玻璃。胡麗麗說，釹玻璃的兩位“掌門人”——干福熹和姜中宏院士在光學(xué)材料方面有很深的造詣，“兩位院士一個是我的導(dǎo)師，一個是直接指導(dǎo)老師，在我事業(yè)起步時給予莫大幫助?！?/p>

一晃20多年，兩位老院士年屆耄耋之齡，上海光機所的激光釹玻璃通過53年的研發(fā)，也歷經(jīng)了三代。選擇了做科研，就一定要堅持。胡麗麗感佩地說，她的導(dǎo)師、姜中宏院士今年87歲了，還一直在思考怎么做下一代激光材料，從未停止過對科學(xué)問題的探索。

不管是年近八旬的父母，還是丈夫和女兒，都說胡麗麗是“工作狂”，希望她的生活能夠慢下來。盡管對家人心懷內(nèi)疚，但胡麗麗很難停下來。在這個團隊，日歷上被標(biāo)注的都是工程任務(wù)節(jié)點。急性子的她每次出門都是等別人的那個人，一天24小時在她看來根本不夠用。除了朝八晚六的工作節(jié)奏，她晚上在家里還要工作一兩個小時，就連每個雙休日的下午，她也在辦公室工作。

這么多年，她養(yǎng)成了一個習(xí)慣，每天一定要去玻璃熔制車間里轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。由于連續(xù)熔煉技術(shù)的需要，機器一旦運轉(zhuǎn)起來，就要24小時不間斷地開上好幾個月，這支團隊已連續(xù)7個春節(jié)在車間里度過。即使有時半夜三更出差回來，她也要先到車間去看上一眼。在釹玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵時期，經(jīng)常在車間開現(xiàn)場會，熬夜到半夜成了家常便飯，第二天她照樣抖擻著精神準(zhǔn)時來上班。

5年前，由于升級改造的需要，單位場地搬遷了一次。胡麗麗原本騎車到單位只需10分鐘，一下遠了六七公里，在路上的時間大大增加。當(dāng)時年近50歲的她，毫不猶豫就去學(xué)了車，只為能多“擠”出一點時間來工作。

這幾年，在同事們眼中，胡麗麗蒼老了許多。“胡老師一頭的白發(fā)，就是在釹玻璃連續(xù)熔煉工藝研發(fā)壓力最大的時候冒出來的，那個時候她也就40來歲吧。她太拼了，以至于我們經(jīng)常都會忘記她的性別?！鄙虾９鈾C所正高級工程師陳樹彬說道。

作為此番上海市科學(xué)技術(shù)獎榜單里“鳳毛麟角”的女科學(xué)家，胡麗麗備受關(guān)注，但她說，不管男女，做一番事業(yè)，都要付出，無需刻意打上性別標(biāo)簽。

盡管如此，身為一名傳統(tǒng)女性，她也坦言，女性要做點事業(yè)，需付出更多的努力。

說成功，胡麗麗說，沒有團隊的合作精神，這個項目完不成。對于釹玻璃來說，失之毫厘謬以千里，每一個環(huán)節(jié)都容不得半點差池。

談失敗，她說，對于科研而言，失敗是常態(tài)，都是在一次次失敗中吸取教訓(xùn)、逐步成長。這10多年的攻關(guān)中，項目團隊所經(jīng)歷的失敗次數(shù)更是難以列舉，“關(guān)鍵是要有信心，大家要齊心協(xié)力”。

別人眼中類似于“苦行僧”的生活，胡麗麗卻覺得“何其有幸”能參與其中。在科學(xué)的世界里，“未知”總是吸引著她，“不可能”亦從來未曾束縛過她。

20余載年華伴隨釹玻璃，女科學(xué)家胡麗麗身上也開始散發(fā)出迷人的紫紅色光芒。