科研故事：神光的化学膜从没掉过链子

　　1994年，高功率激光物理联合实验室(以下简称联合室)张伟清组建了一个新的课题组——化学涂膜课题组。与其他课题组相比，化学涂膜课题组不大，但它对中国的惯性约束核聚变激光装置具有非常重要的意义。

　　在国内率先开展化学法制备光学高激光损伤阈值膜层的研制。

　　首次将高激光损伤阈值减反膜和防潮膜应用于国内高功率激光领域。

　　自主研制的溶胶凝胶减反膜层比肩国际先进水平。

　　日前，原化学涂膜课题组的负责人——唐永兴研究员向中国激光讲述了化学涂膜课题组的奋斗历程。

　　课题组成员合影

　　服务神光：“这个课题组是随着神光Ⅱ的立项而成立的”

　　1994年，

　　神光Ⅱ正式立项，日后将服务于三倍频激光的物理打靶实验。由于高通量激光辐照，光学元件受损严重，如何提高三倍频光学元件的损伤阈值成了神光Ⅱ装置一道过不去的坎。核心光学倍频、三倍频元件-磷酸二氢钾(KDP)晶体的保护膜层是防护的关键。

　　在此之前，因KDP晶体易潮解，一般把晶体浸泡在折射率匹配的有机溶液中使用，这种方法抗激光损伤能力差，无法满足神光Ⅱ的需求。上世纪八十年代，美国在建造Nova装置时，首次成功研发了应用于KDP晶体的化学法防潮膜和减反膜，又延续应用于NIF装置。

　　神光Ⅱ项目需求迫在眉睫，联合室委任张伟清组建化学涂膜课题组，跟踪美国Nova的成功经验，决心攻克晶体膜层这道难关。

　八年奋战：“在国内，我们是第一个成功的”

　　当时，查阅文献后了解到，美国劳伦斯·利弗莫尔实验室在高功率激光装置中使用了化学法的防潮膜和减反膜，相比传统真空法膜层具有更高的激光破坏阈值。经过神光Ⅱ总体技术组领导论证决策，最终决定在神光Ⅱ项目中也采用类似的化学涂膜方案——以溶胶凝胶法制备有机硅防潮膜和多孔性二氧化硅减反膜。

　　这种方案要求：在KDP晶体表面先涂一层防潮解膜，再涂一层和折射率匹配的减反膜，这样既可以解决倍频器晶体的易潮解问题，减少表面反射率，还能承受强激光辐射。但国内当时并没有人成功开展过这方面的研究，我们只能凭借手头的文献，自己摸索如何实现这项技术。从文献到技术的实现，这条路还很长。

　　从1994年到2000年，有好多研究人员在啃这块硬骨头，尝试过很多方法，但都没有成功。时间紧、任务重，我们身上的压力非常大。如果这项技术做不好，会极大地影响整个神光Ⅱ项目的进展。我们一点一点摸索着进行配方试验，设计涂膜方法，再应用到大元件上。期间，试验失败了无数次，最终敲定了配方方案，研制成溶胶凝胶减反膜层，终于攻克了光学元件严重受损的技术难关。

　　1999年，

　　单路三倍频激光的两块晶体达标;2000年，八路倍频、三倍频激光的涂膜晶体全面达标;2001年，神光Ⅱ高功率激光实验装置顺利通过了国家级技术鉴定和验收。KDP晶体膜层的激光损伤阈值完全满足了神光Ⅱ项目的合同指标要求。

　　神光Ⅱ装置的KDP晶体、打靶透镜、防溅射板、隔板玻璃等各类元件都使用的是我们制备的溶胶凝胶减反膜。时至今日，神光Ⅱ装置运行这么多年，进行了无数次实验，从来没有在化学膜层上受到限制。

　　化学涂膜实验

　　立身扬名：“作为中国的技术，我们应该知足”

　　溶胶凝胶防潮膜减反膜的成功研制，为中国惯性约束核聚变激光装置的顺利发展提供了强有力的技术保障，而在神光Ⅱ之后的九路装置、神光Ⅱ升级装置，以及神光Ⅲ晶体膜层都使用的是这项关键技术(可能有所改善)。

　　2002年前后，中物院激光聚变研究中心筹备神光Ⅲ的原型装置时也需要这项技术。我们服从大局，花费一年的时间进行技术培训，将这项技术转让给中物院。之后，这项技术继续在神光Ⅲ装置中得以大力推广。

　　二十余年来，我们课题组得到了国家和单位领导的大力支持，先后得到了中科院与中物院、863课题等国家项目的资助。同时，课题组也取得了很多的成绩，在九五期间被评为先进课题组，十五期间被评为“863研究先进个人”。

　　在“2010年国际膜层激光损伤水平竞赛”中，课题组选送的溶胶凝胶减反膜样品的激光损伤阈值指标获得最佳结果。在这届比赛中，共有来自不同国家的29家单位寄送了样品，11家国际著名镀膜(涂膜)公司和科研单位参与了实际测试，赫赫有名的美国劳伦斯·利弗莫尔实验室、德国汉诺威激光中心均在参赛名单中。强手如云拔得头筹，这标志着我们的溶胶凝胶减反膜层达到了国际先进水平。

　　联合室化学涂膜组参加测试样品为溶胶-凝胶多孔性SiO2减反膜(Sol-gel SiO2 Dip Coating)，涂膜基片为康宁熔石英7980，直径为50mm，厚为10mm。比赛结果中联合室化学膜破坏阈值最高(左图最右红色)。

　　历经20余载，溶胶凝胶减反膜技术在高功率激光装置中经受住了考验;发展到今天，这一技术的生命力愈加强大，也需要与时俱进。这是高功率激光物理联合室的技术突破，更是一项印有“中国”的技术。在继承中发展，在发展中创新，对于未来，我们仍有期待。

　　展望十三五，化学膜课题组将在前期研究的基础上，重点开展DKDP晶体化学膜研制工作，采用单面涂膜工艺制备不同厚度需求的防潮减反膜，解决大尺寸元件单面涂膜边缘效应问题，提升晶体类元件光学性能;研究喷涂新工艺，制备氙灯及隔板玻璃宽带减反膜;不断优化工艺流程，为高功率激光装置制备高性能优质化学膜。