聚焦激光核聚变“心脏”！我国科学家如何攻克关键元件全流程制造

可控核聚变技术是被全人类寄予厚望的未来能源方式，也被誉为人类理想的终极能源，不过目前还没有一个国家成功实现。

在实现激光驱动可控核聚变的过程中，高功率激光驱动器装置的“心脏”——大尺寸激光钕玻璃，是不可或缺的核心材料，其批量制备的关键技术被称为美国国家点火装置(NIF)的七大奇迹之首。中国科学院上海光机所学术委员会副主任、先进激光与光电功能材料部研究员胡丽丽和她的研究团队，就是攻克大尺寸激光钕玻璃批量制备关键技术的科研人。

进入21世纪，胡丽丽和团队开始新型激光玻璃研发和大尺寸激光钕玻璃高效批量生产的连续熔炼技术的攻关征程，解决了大尺寸钕玻璃批量制备所需要的全部关键技术难题，上海光机所也成为国际上首家独立掌握激光钕玻璃元件全部流程生产技术的单位。

就在去年，她荣获国际非晶态材料领域著名奖项——N.F.Mott奖，成为该奖项自设立以来首位中国获奖者，今年胡丽丽又获得国际玻璃协会主席奖。

“我们的研究最后是要实际应用的，所以我非常乐意从实验室的基础研究出发，然后将研究成果做出来投入应用。”胡丽丽近日接受第一财经采访时说。她还透露，团队正将AI引入新型玻璃研发，推动特种玻璃研究的范式创新。

金叶子/摄

激光核聚变的“心脏”

随着全球能源安全竞争加剧，世界主要国家在核聚变领域布局明显加速，国际聚变技术发展迅猛。美国在2022年12月，就成功实现了核聚变反应的更大能量盈余，截至目前，美国已实现6次激光核聚变点火。

2024年，科技部、工业和信息化部等七部门联合发布《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，指出加强推进以核聚变为代表的未来能源关键核心技术攻关。实现聚变能源应用是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略的最终目标。

今年1月，我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克EAST装置获得重大成果，成功实现了上亿度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录，让人们对于聚变能的应用又有了新的期待。

采用激光驱动是另一种实现核聚变的方式，实现激光驱动的可控核聚变，离不开自主可控的激光钕玻璃。由于尺寸大、性能指标要求极高，大尺寸激光钕玻璃连续熔炼技术挑战了光学玻璃制造极限，被称为美国国家点火装置的七大奇迹之首。美国联合德国和日本两家顶级光学玻璃公司进行了持续6年的共同攻关，实现了大尺寸激光钕玻璃连续熔炼，认为这项技术难度极高。在完成美国和法国两大激光聚变装置的钕玻璃供货任务后，他们拆除了大尺寸激光钕玻璃连续熔炼线。

因此，攻克大尺寸钕玻璃批量制备成套技术成为胡丽丽等科研工作者们亟待解决的难题。

胡丽丽解释，之所以说激光钕玻璃是激光核聚变的“心脏”，是由于它是一种含有稀土发光离子——钕离子的特殊玻璃，可以在“泵浦光”的激发下产生激光或对激光能量进行放大，是激光器的“心脏”。激光钕玻璃性能的好坏直接决定了激光装置输出能量，是目前人类所知地球上能够输出最大能量的激光工作介质。在被称为“人造小太阳”的激光核聚变大科学装置中，激光钕玻璃一直发挥着不可替代的作用。

中国科学院上海光机所从1964年建所到二十世纪末，以干福熹院士、姜中宏院士为代表的激光钕玻璃团队，三十多年来在激光钕玻璃的研究上取得了从无到有的创新，先后研制了硅酸盐激光钕玻璃、N21及N31磷酸盐激光钕玻璃，为我国“神光”系列装置提供了核心工作物质。

自2005年起，胡丽丽和团队从基础研究出发，对新型高增益激光钕玻璃研发、大尺寸激光钕玻璃批量制备涵盖的连续熔炼、精密退火、包边、检测四大关键核心技术进行了近十年的持续攻关。其中难度最大的当数大尺寸激光钕玻璃的连续熔炼技术攻关。2012年，在大家的共同努力下终于攻克了连续熔炼工艺攻关中的难题，设计建立了激光钕玻璃连熔中试生产线，完成了大尺寸激光钕玻璃连续熔炼关键技术集成，最终实现了大尺寸激光钕玻璃连续熔炼工艺、测试技术、包边工艺、精密退火全链条关键技术集成和贯通。相关成果先后荣获2016年度“上海市技术发明特等奖”、2017年度“国家技术发明二等奖”、2022年度“中国科学院杰出科技成就奖”。

“我们攻关过程中确实遇到了非常多的挑战，特别是随着实验的推进，一个接一个的问题都暴露出来，也没有别的办法，只能自己坐下来查文献，从非常基础的理论出发。比如包括玻璃熔体的流动行为在玻璃成型过程中会有什么样的变化。除此之外，大家经常把测试数据拿出来讨论和推理，这些失败的数据都是我们的成功之母。”胡丽丽告诉记者。

金叶子/摄

解决产业界需求

不只是激光钕玻璃，胡丽丽还在掺镱大模场石英光纤、高功率掺钕石英光纤以及高纯石英玻璃等方面取得了关键突破。

以高功率激光光纤为例，由于光纤激光器是用光纤作激光介质的激光器，具有理想的光束质量、超高的转换效率、免维护、高稳定性以及体积小等优点，其应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船和外科手术等。进入21世纪以来，光纤激光器逐步占据了激光器市场的半壁江山，但是部分高功率激光光纤产品却难以从国际市场获得。胡丽丽自2011年以来便和团队聚焦影响高功率激光光纤的激光效率、功率稳定性和长期可靠性三个难点问题，用8年时间在国内率先攻克了万瓦级掺镱大模场光纤的批量制备关键技术。

企业作为技术创新主体，对市场需求更为敏感。

“2018年的时候，有一个高科技企业找到我们，说能不能帮他们做高功率激光光纤，因为他们在国际上买不到产品。那个时候正好我们也在做这方面的研究工作，所以团队就和企业密切沟通，反复迭代产品，解决了他们的实际需求。”胡丽丽说。

万瓦级掺镱激光光纤的技术突破使得我国高功率光纤激光器装上了国产“芯”，降低了高功率激光器的制造成本。2019年以来，团队实现直接销售额超过2亿元、间接经济效益超过18亿元；此外还满足了空间环境等高功率光纤激光器的应用急需。

胡丽丽研究员在实验室 金叶子/摄

而对于未来的研究布局，从业38年的胡丽丽也有新的想法。

在她看来，随着AI的发展，玻璃的研究范式亟待改变。“我们正将AI引入新型玻璃研发，也在打造涵盖玻璃结构性能表征、分子动力学模拟、AI辅助建模的玻璃构效关系研究平台。”她介绍，希望在“十五五”期间构建一个集高通量制备、AI辅助建模、结构表征验证的特种玻璃材料构效关系平台。