胡麗麗研究員檢視連熔激光釹玻璃

玻璃的形成和結(jié)構(gòu)及性能演化機(jī)制是凝聚態(tài)物理最富挑戰(zhàn)的謎題之一。

全球玻璃行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模巨大，預(yù)計(jì)2027將年超過1.5萬億美元。中國(guó)是世界最大的玻璃生產(chǎn)國(guó)（＞50%），但不少高端玻璃制品目前還受制于人。譬如一米見方就要賣30萬元的釹（音：nǚ）玻璃，它被裁切后裁切的釹玻璃，吸收了足夠多能量便能產(chǎn)生炫目的超強(qiáng)激光, 可以成為超強(qiáng)激光器的“心臟”。美、德、日本等國(guó)家花費(fèi)六年時(shí)間完成這種玻璃的研發(fā)制備后，將相關(guān)制備工藝技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)品實(shí)施了嚴(yán)格的封鎖、禁運(yùn)。

這是中國(guó)發(fā)展超強(qiáng)激光面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

中國(guó)激光玻璃領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱：上海光機(jī)所）研究員胡麗麗歷經(jīng)7年努力，取得突破，為中國(guó)“神光”研制釹玻璃。

2025年1月，62歲、頭發(fā)花白的胡麗麗，在玻璃領(lǐng)域深耕38年后登上了ICG（國(guó)際玻璃協(xié)會(huì)）主席獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，是該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立30年來第三位中國(guó)獲獎(jiǎng)學(xué)者。獲獎(jiǎng)證書上的一句話讓人感動(dòng)：玻璃的夢(mèng)想（glass dream）。在此之前，她榮獲旨在獎(jiǎng)勵(lì)非晶態(tài)材料領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的杰出科學(xué)家的著名獎(jiǎng)項(xiàng)——N. F. Mott獎(jiǎng)，是該獎(jiǎng)項(xiàng)自1983年設(shè)立以來的首位中國(guó)獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

激光釹玻璃

實(shí)干興邦，近十年努力突破，為中國(guó)“神光”制釹玻璃

“玻璃不像晶體，沒有規(guī)則的結(jié)構(gòu)。讓玻璃擁有特殊的性能，研發(fā)出特種玻璃，難度不小，也缺乏系統(tǒng)性的理論。”日前，胡麗麗在接受澎湃科技專訪時(shí)表示。但瞄準(zhǔn)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，她主動(dòng)換了“賽道”。

“1987年開始從事玻璃研究以來，我的指導(dǎo)思想，包括跟學(xué)生也是這么說的，這個(gè)材料做了的話，就要用。材料的研究是最后要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的。所以，我非常樂意在實(shí)驗(yàn)室從基礎(chǔ)研究出發(fā)，最后把制備工藝技術(shù)走通，把產(chǎn)品做出來。”胡麗麗這么說，也是這么做的。在特種玻璃與光纖研發(fā)這一賽道里，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新。

為滿足中國(guó)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)，從基礎(chǔ)研究出發(fā)，對(duì)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(cè)四大關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行了近十年的持續(xù)攻關(guān)。

其中難度最大的，當(dāng)屬大尺寸激光釹玻璃的連續(xù)熔煉技術(shù)攻關(guān)。難題接踵而至，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。研究團(tuán)隊(duì)一次次測(cè)試、分析、討論解決方案。

2012年，在大家的共同努力下，連續(xù)熔煉工藝中的重重難題終于被攻克。他們?cè)O(shè)計(jì)建立了激光釹玻璃連熔中試生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了全鏈條關(guān)鍵技術(shù)集成和貫通。

釹玻璃包邊工藝研究 

截至目前，研究團(tuán)隊(duì)圓滿完成“神光”系列裝置應(yīng)用的大尺寸激光釹玻璃的研制。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(guó)際領(lǐng)先，成功挑戰(zhàn)了由美、德、日三家聯(lián)手才能達(dá)到的技術(shù)極限。

釹玻璃團(tuán)隊(duì)

相關(guān)成果先后榮獲2016年度“上海市技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)”、2017年度“國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”、2022年度“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”。

八年攻堅(jiān)，打破國(guó)外壟斷和禁運(yùn)

光纖激光器是用光纖作激光介質(zhì)的激光器。其應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光空間遠(yuǎn)距通訊、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等。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(chǎng)的半壁江山。

萬瓦級(jí)高功率摻鐿大模場(chǎng)光纖的纖芯需要承受超高激光功率密度，極易引起色心（Color Center），導(dǎo)致輸出功率下降，破壞激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。公開資料顯示，色心是指晶體中的零維缺陷，導(dǎo)致光吸收或發(fā)射。

光纖超連續(xù)譜

摻鐿大模場(chǎng)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(duì)激光功率進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)上萬瓦的輸出功率。但該光纖產(chǎn)品及其制備工藝長(zhǎng)期被美國(guó)Nufern、nLight等公司壟斷和嚴(yán)格管控，成為制約中國(guó)高功率光纖激光器發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

特種光纖

自2011年以來，胡麗麗研究員帶領(lǐng)年輕的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，聚焦高功率激光光纖的激光效率、功率穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性等三個(gè)難點(diǎn)問題。歷經(jīng)八年攻堅(jiān)克難，他們從稀土摻雜石英玻璃構(gòu)效關(guān)系基礎(chǔ)研究出發(fā)，在摻鐿激光光纖的纖芯成分設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化、包層結(jié)構(gòu)創(chuàng)新三個(gè)方面開展了一系列研究工作，在國(guó)內(nèi)率先攻克了萬瓦級(jí)摻鐿大模場(chǎng)光纖的批量制備關(guān)鍵技術(shù)。

光纖預(yù)制棒

這一技術(shù)突破解決了中國(guó)高功率光纖激光器關(guān)鍵元件的問題，讓中國(guó)高功率光纖激光器裝上了國(guó)產(chǎn)“芯”。團(tuán)隊(duì)研制的若干高性能摻鐿激光光纖也打破了國(guó)外公司的產(chǎn)品禁運(yùn)，及其技術(shù)和產(chǎn)品壟斷，滿足了空間環(huán)境等高功率光纖激光器急迫的應(yīng)用需求。2019年以來，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)直接銷售額超過2億元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過18億元。

高純石英

AI+特種玻璃構(gòu)效理論研究，瞄準(zhǔn)未來

鄧路博士從海外留學(xué)歸來，加入胡麗麗研究員團(tuán)隊(duì)，目前主要做材料計(jì)算模擬和玻璃構(gòu)效關(guān)系研究。他分享了2025年春節(jié)期間的一件小事：當(dāng)時(shí)，國(guó)產(chǎn)開源人工智能大模型deepseek還沒像現(xiàn)在這么火，剛有一些媒體在報(bào)道。突然有一天，胡麗麗研究員就在工作微信群里發(fā)了一條deepseek相關(guān)的報(bào)道，希望大家關(guān)注，并分享了她自己的看法。

“她一直關(guān)注前沿。”鄧路說。

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)AI賦能的玻璃新材料快速開發(fā)，成為了當(dāng)下熱點(diǎn)。“它將來是一種工具，我們要學(xué)習(xí)好用好這種工具，使得我們特種玻璃的研發(fā)高效、精準(zhǔn)。”胡麗麗研究員表示。自“十四五”開始，她積極引進(jìn)學(xué)科交叉領(lǐng)域的海外優(yōu)秀人才，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(tái)。為了進(jìn)一步加快玻璃構(gòu)效關(guān)系平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)程，胡麗麗研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員多次走訪相關(guān)單位，組織學(xué)術(shù)論壇，積極謀劃相關(guān)平臺(tái)的論證工作，有望在“十五五”期間構(gòu)建一個(gè)集高通量制備、AI輔助建模、結(jié)構(gòu)表征驗(yàn)證的特種玻璃材料構(gòu)效關(guān)系平臺(tái)，創(chuàng)新特種玻璃研發(fā)范式。

特種光纖團(tuán)隊(duì)