胡麗麗：為“人造小太陽”鑄“心”
2025-02-25 00:00:00陳冰
新民周刊 2025年6期
在人類探索清潔能源與尖端科技的道路上，激光被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，而支撐其能量的核心材料——釹玻璃，則是激光器的“心臟”。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員胡麗麗，正是這樣一位為“人造小太陽”鑄“心”的科學(xué)家。她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克大尺寸激光釹玻璃的批量制造技術(shù)，推動(dòng)我國高功率激光技術(shù)躋身世界前列。
與此同時(shí)，她還發(fā)揮在激光玻璃方面的研究特長，進(jìn)一步在激光光纖、高純石英玻璃等領(lǐng)域攻堅(jiān)克難，啃下多塊“硬骨頭”，打破了國外公司的技術(shù)和產(chǎn)品壟斷。
2024年，在韓國仁川舉行的國際玻璃協(xié)會(huì)年會(huì)上，胡麗麗研究員榮獲國際非晶態(tài)材料領(lǐng)域著名獎(jiǎng)項(xiàng)——N. F. Mott獎(jiǎng)，成為該獎(jiǎng)項(xiàng)自設(shè)立以來首位中國獲獎(jiǎng)?wù)?。此前共?4位非晶態(tài)領(lǐng)域國際頂尖學(xué)者榮獲該獎(jiǎng)項(xiàng)，包括美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)士等。此外，胡麗麗還是國際玻璃協(xié)會(huì)主席獎(jiǎng)設(shè)立30年來第三位（前兩位分別是2001年干福熹院士及2016年彭壽院士）中國獲獎(jiǎng)學(xué)者。她被國際玻璃領(lǐng)域公認(rèn)為杰出且令人敬佩的女科學(xué)家。
她的故事，不僅是一段科研攻堅(jiān)的傳奇，更是一曲“以興趣為燈、以堅(jiān)持為路”的追光者之歌。
從院士門生
到激光材料領(lǐng)軍人
激光釹玻璃是一種含有稀土發(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(jìn)行放大。激光釹玻璃性能的好壞直接決定了激光裝置輸出能量，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“人造小太陽”的激光慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF）大科學(xué)裝置中，激光釹玻璃一直發(fā)揮著不可替代作用。
自中國科學(xué)院上海光機(jī)所1964年建所到20世紀(jì)末，以干福熹院士、姜中宏院士為代表的激光釹玻璃團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過三十多年的艱苦奮斗，在激光釹玻璃的研究上取得了從無到有的創(chuàng)新，摘下激光玻璃研究領(lǐng)域“桂冠”，先后研制了硅酸鹽激光釹玻璃、N21及N31磷酸鹽激光釹玻璃，為我國“神光”系列裝置提供了核心工作物質(zhì)。
胡麗麗的科研生涯正是始于干福熹、姜中宏這兩位中國光學(xué)玻璃材料泰斗的指引。她師從兩位院士，繼承了他們對激光材料的深厚研究積淀。從博士階段開始，胡麗麗便專注于玻璃基礎(chǔ)研究，畢業(yè)后有幸從事稀土摻雜玻璃的基礎(chǔ)與制備工藝研究。由于尺寸大、性能指標(biāo)要求極高，大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉技術(shù)挑戰(zhàn)了光學(xué)玻璃制造極限，美國聯(lián)合德國和日本兩家頂級光學(xué)玻璃公司進(jìn)行了持續(xù)6年的共同攻關(guān)，才實(shí)現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉。在完成美國和法國二大激光聚變裝置的釹玻璃供貨任務(wù)后，他們拆除了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉線，并對我國實(shí)施嚴(yán)格禁運(yùn)。胡麗麗回憶，上海光機(jī)所曾嘗試從國外采購一塊大尺寸釹玻璃，但對方不僅開出天價(jià)，還以物流為由百般推諉。這一經(jīng)歷讓她深刻意識到：“別人不給，我們必須自己研究！”
在被稱為“人造小太陽”的激光慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF）大科學(xué)裝置中，激光釹玻璃一直發(fā)揮著不可替代作用。
為滿足我國自主研發(fā)激光聚變裝置的迫切需求，自2005年起，胡麗麗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對新型高增益激光釹玻璃研發(fā)、大尺寸激光釹玻璃批量制備涵蓋的連續(xù)熔煉、精密退火、包邊、檢測四大關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行了近十年的持續(xù)攻關(guān)。釹玻璃的研發(fā)堪稱材料科學(xué)的“極限挑戰(zhàn)”。一塊長80厘米、寬50厘米的釹玻璃，需歷經(jīng)4到6個(gè)月的連續(xù)熔煉、精密退火、包邊和檢測，任何微小瑕疵都會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。其制備難度被胡麗麗形容為“與嬌氣的超能力公主打交道”。
難題一個(gè)接著一個(gè)，羥基和過渡金屬雜質(zhì)超標(biāo)、玻璃炸裂、玻璃內(nèi)部出現(xiàn)條紋和氣泡……胡麗麗團(tuán)隊(duì)在簡陋的彩鋼板棚內(nèi)啟動(dòng)連續(xù)熔煉實(shí)驗(yàn)。夏季棚內(nèi)溫度超40℃，熔爐旁更是高達(dá)六七百攝氏度。團(tuán)隊(duì)成員回憶：“隧道窯炸裂是家常便飯，玻璃碎片四處飛濺，大家只能一次次重來。”為解決玻璃在冷卻過程中的應(yīng)力問題，團(tuán)隊(duì)耗時(shí)半年重新設(shè)計(jì)窯爐結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整溫控曲線和氣流分布，最終攻克這一技術(shù)瓶頸。
包邊是四大核心技術(shù)之一，而包邊膠的耐環(huán)境性一度成為“攔路虎”——濕度稍高即發(fā)霉，溫差稍大即脫膠。胡麗麗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)調(diào)整膠體配方，引入納米增強(qiáng)材料，最終研發(fā)出適應(yīng)極端條件的包邊技術(shù)。
2012年，在大家的共同努力下，終于實(shí)現(xiàn)了大尺寸激光釹玻璃連續(xù)熔煉工藝、測試技術(shù)、包邊工藝、精密退火全鏈條關(guān)鍵技術(shù)集成和貫通。自主研發(fā)的激光釹玻璃成品鉑顆粒、羥基吸收系數(shù)等核心技術(shù)指標(biāo)國際領(lǐng)先，挑戰(zhàn)成功了由美、德、日三家聯(lián)手才能達(dá)到的技術(shù)極限！
目前，胡麗麗團(tuán)隊(duì)的釹玻璃已成功應(yīng)用于我國“神光”系列激光聚變裝置和10拍瓦超強(qiáng)超短激光裝置。這些裝置不僅為核聚變研究提供支撐，更在材料科學(xué)、高能物理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。美國有關(guān)專報(bào)曾評價(jià)：“中國在高功率激光材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從追隨到并跑的跨越?！?/p>
光之所向，心之所往
光纖是信息社會(huì)的“主動(dòng)脈”和基石材料，而激光光纖則是高功率光纖激光器的“心臟”。進(jìn)入21世紀(jì)以來，光纖激光器逐步占據(jù)了激光器市場的半壁江山。其中，摻鐿大模場光纖是高功率光纖激光器的核心增益介質(zhì)，它的作用是產(chǎn)生激光并對激光功率進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)上萬瓦的輸出功率。摻鐿大模場光纖產(chǎn)品及其制備工藝長期被美國Nufern、nLight等公司壟斷和嚴(yán)格管控。
自2011年以來，胡麗麗研究員帶領(lǐng)年輕的研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年研發(fā)，終于在國內(nèi)率先攻克了萬瓦級摻鐿大模場光纖的批量制備關(guān)鍵技術(shù)，使得我國高功率光纖激光器裝上了國產(chǎn)“芯”，不僅滿足了空間環(huán)境等高功率光纖激光器的應(yīng)用亟需，更大幅降低了高功率激光器的制造成本，加快了我國高功率光纖激光器在先進(jìn)制造中的普及應(yīng)用，提升了我國先進(jìn)制造的能級。
隨著人工智能及量子計(jì)算時(shí)代來臨，長距離光纖通信和數(shù)據(jù)中心的光互連對數(shù)據(jù)傳輸容量、密度和速率的需求與日俱增，對現(xiàn)有通信材料和通信技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。自1999年，日本學(xué)者在摻鉍玻璃中發(fā)現(xiàn)了半高寬為150 nm的近紅外發(fā)光后，鉍（Bi）離子作為激活離子應(yīng)用于寬帶光纖放大器逐漸成為研究重點(diǎn)。俄羅斯、英國、美國等研究機(jī)構(gòu)相繼推出摻鉍寬帶光纖產(chǎn)品并用于新型寬帶放大器的研究。盡管我國在鉍離子摻雜寬帶發(fā)光機(jī)理研究方面獲得了受國際關(guān)注的研究成果，但直到2020年，仍未能研發(fā)出低損耗摻鉍高磷石英基光纖。
她的故事，是無數(shù)中國科研工作者的縮影——在冷板凳上燃燒熱情，在逆境中開辟新路。正如她所言：“激光是照亮未來的光，而我們，愿做永遠(yuǎn)追隨光的人?！?/blockquote>2020年，胡麗麗研究員團(tuán)隊(duì)借助已有激光光纖的研發(fā)平臺和積累，開始向這一領(lǐng)域發(fā)起挑戰(zhàn)。國內(nèi)20年都沒取得的突破，胡麗麗團(tuán)隊(duì)在不到一年時(shí)間內(nèi)就率先研制出低損耗摻鉍高磷石英基光纖，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)在該領(lǐng)域從0到1的技術(shù)突破。隨后，他們又在國內(nèi)率先攻克了高增益系數(shù)摻鉍硅基光纖關(guān)鍵制備技術(shù)，先后開發(fā)出增益范圍覆蓋O+E+S+U波段的三款寬帶摻鉍硅基光纖，極大推動(dòng)了國內(nèi)摻鉍光纖的研究進(jìn)程，滿足我國光通信領(lǐng)域?qū)π滦蛯拵г鲆婀饫w材料國產(chǎn)化的亟需。
團(tuán)隊(duì)成員再接再厲，還在國際上率先實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)摻釹激光。2023年國家再次把建立高純石英玻璃研發(fā)平臺的任務(wù)交給了胡麗麗研究員團(tuán)隊(duì)。用于高功率激光應(yīng)用的高性能石英玻璃制備技術(shù)門檻極高，主要由康寧、賀利士等公司把持相關(guān)技術(shù)，其高端產(chǎn)品對國內(nèi)實(shí)施嚴(yán)格禁運(yùn)。胡麗麗團(tuán)隊(duì)迎難而上，開展高純石英玻璃制備關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)的攻關(guān)，一年時(shí)間，從無到有，建立了一套高純石英玻璃的研制平臺、制備工藝模型、極低羥基檢測平臺，并完成了數(shù)十輪工藝實(shí)驗(yàn)。
實(shí)際上，玻璃的形成和結(jié)構(gòu)及性能演化機(jī)制一直是凝聚態(tài)物理最富挑戰(zhàn)的謎題之一。我國是世界最大的玻璃生產(chǎn)國，但不少高端玻璃制品目前還受制于人。隨著人工智能AI的發(fā)展，玻璃的研究范式亟待改變。如何實(shí)現(xiàn)Al賦能的玻璃新材料快速開發(fā)成為了當(dāng)下熱點(diǎn)。擁有開闊視野的胡麗麗研究員積極引進(jìn)學(xué)科交叉領(lǐng)域的海外優(yōu)秀人才，聯(lián)合其他科研機(jī)構(gòu)一同打造涵蓋玻璃結(jié)構(gòu)性能表征、分子動(dòng)力學(xué)模擬、AI輔助建模的玻璃構(gòu)效關(guān)系研究平臺。
胡麗麗和特種光纖團(tuán)隊(duì)成員不斷挑戰(zhàn)科研新領(lǐng)域。 多年來，胡麗麗一直保持著每天工作11小時(shí)的習(xí)慣，深夜改論文、清晨查資料是常態(tài)。即便深夜出差歸來，也要先去車間查看熔爐狀態(tài)。她坦言，自己從未刻意堅(jiān)持，只是“樂在其中”?！翱蒲袥]有捷徑，但每一次失敗都是通往成功的臺階?！焙慃愓f，克服難題的瞬間，幸福感足以掃平所有失敗陰霾。
胡麗麗用三十余年光陰，詮釋了何謂“擇一事，終一生”。她說，“一輩子能做好一件事，已是幸運(yùn)”。她的故事，是無數(shù)中國科研工作者的縮影——在冷板凳上燃燒熱情，在逆境中開辟新路。正如她所言：“激光是照亮未來的光，而我們，愿做永遠(yuǎn)追隨光的人?！?/p>
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