2024.06.28

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导读：激光薄膜渗透于经济社会的方方面面，从日常生活中的眼镜、手机、相机、电脑、汽车，再到探月工程等空间型号任务搭载的激光器，都少不了激光薄膜技术的运用。

作者 | 第一财经 金叶子

“羲和之未扬，若华何光？”《天问》中描写的太阳之母羲和，在上海被具象为一座激光装置。

该装置之所以被命名为“羲和”，是因为它能达到10拍瓦以上的激光峰值输出功率。这是一个什么样的概念？

“假如地球外有一面巨大的透镜，可以把照射在地球上的所有太阳光聚焦在一根人类头发丝直径大小的点上所产生的光强，相当于1拍瓦能产生的光强，那么10拍瓦就相当于10个太阳的光强。”中国科学院上海光学精密机械研究所（下称“上海光机所”）研究员朱美萍说。

超强超短激光实验（羲和）装置的运行，离不开大大小小的关键元器件，朱美萍和她的团队，就是为羲和装置“造血管”的科研工作者。

朱美萍日前接受第一财经采访时说，激光薄膜引导激光束按照预设方向传输的过程中，需要抵挡住强激光的冲击，并且能将激光准确地“护送”到目标点，因此，激光薄膜就像整个激光装置的血管。

而随着人工智能（AI）技术的运用，朱美萍和团队还在设想，如何把AI技术融合到激光薄膜技术里，加速新材料的研发和筛选，推动薄膜的设计和工艺的优化。“我们现在已经在初步探索机器学习如何助力工艺优化。”

▲任玉明/摄

“无瑕”的激光薄膜有多难

除了运用在神光、超强超短激光等大型装置中，激光薄膜其实还渗透于经济社会的方方面面，从日常生活中的眼镜、手机、相机、电脑、汽车，再到探月工程等空间型号任务搭载的激光器，都少不了激光薄膜技术的运用。

在一些强激光装置中，激光薄膜甚至需要承受超过上万焦耳的激光能量，非常容易被激光损坏，研制难度极大。国际上，米级尺寸的激光偏振薄膜元件与普克尔盒组成的光开关被誉为美国国家点火装置七大奇迹之一。我国大尺寸激光薄膜制备技术起步较晚，一度是大型强激光装置建设和运行过程中面临的技术瓶颈。

朱美萍打了个比方，如果要做一个对角线1米尺寸的激光偏振薄膜，它对膜层厚度的控制要求，相当于从上海到北京约1000公里的飞行航程内，飞机上下颠簸不能超过两毫米。“缺陷是薄膜在激光辐照下产生损伤的主要因素，缺陷的产生是一个概率事件，对于对角线接近1米尺寸的元件，想要实现零缺陷，基本上是不可能的。”

而追求“无瑕”的薄膜，研究揭示激光诱导薄膜损伤机理，提升激光薄膜的损伤阈值，则是朱美萍和团队成员一直努力的目标。

1964年，上海光机所成立了我国第一支专业从事激光薄膜研究的队伍（今为薄膜光学实验室），研究生毕业后就留所工作的朱美萍已经是第四代“激光薄膜人”。而前三代激光薄膜团队掌舵人——范正修研究员、邵建达研究员和易葵正高级工程师，是她的指导老师。

谈及做激光薄膜的难点，朱美萍回忆道，最难熬的是有一段时间，镀膜反复出现膜层龟裂问题。“因为镀膜是在真空条件下完成的，这个过程还包括降温、放气等，在真空状态下，我们不知道薄膜是在哪个过程中裂开的。在反复做实验两三个月后，某一天我们打开真空室门，用强光灯照在薄膜上的时候，发现这个膜是完美无瑕的、没有裂纹的薄膜，我们终于成功了。”

从攻读研究生至今二十年来，朱美萍不断钻研、改进技术，几次在国际竞赛中取得最佳结果。她和团队成员实现了米级尺寸的高性能激光偏振薄膜，相关技术荣获2018年国家技术发明奖二等奖。

朱美萍打趣地说道，和激光薄膜相处就有点像“谈恋爱”。

她解释道，在提升薄膜激光损伤阈值中，其实就是一个与缺陷相识、相知、相抑，再到相扶的过程。“开始要先去认识这个缺陷，接着要去了解这些缺陷以及其成因，然后尽可能去抑制这些缺陷。到最后，发现完全消灭这些缺陷基本上是不可能的。所以我们就想着法子去帮助这些缺陷能够更好耐受激光。”

将AI运用到未来研究

超强超短激光的独特性，让它在激光加速、激光聚变、原子分子物理、材料科学、核物理、等离子体物理、高能量密度物理、天体物理、核医学等领域具有重大应用价值，因此也是国际科技竞争重大前沿领域之一。

2017年10月24日深夜，上海“羲和”激光装置首次实现10拍瓦激光放大输出。这个“最强光”装置从2016年1月4日立项，到2020年12月28日通过验收，项目装置从实现 10.3拍瓦激光放大输出，到最高峰值功率达到12.9拍瓦，打破了世界纪录。2021年以来，装置面向用户开放，产出的多项实验结果也登上了国际重要的学术期刊。

在为最强光“造血管”的朱美萍看来，激光薄膜与激光技术是相辅相成的：激光薄膜性能的提升，能促进激光装置的性能提升，激光装置性能提升了之后，反过来又会对激光薄膜提出更高的要求。

“这两年国际上激光技术的发展也对我们的研究领域有很大促进作用，因为在激光薄膜两个比较大的应用领域：聚变激光和超强超短激光方面，国际上都有新动向。”

2022年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置实现“净能量增益”。这是人类能源史上的重大突破，从科学原理和工程技术上验证了未来核聚变能源的可行性，开启了人类进入清洁能源时代的大门。

“激光聚变装置性能的提升，也对薄膜元件提出了更高的要求。”朱美萍说，她们也在考虑如何将AI技术融合到激光薄膜技术中去。“这是一个必然的现象，现在我们已经在初步探索机器学习怎么去优化工艺。”在她看来，AI会帮她们节省多少时间和达到哪些效果目前并不知晓，但是肯定能缩短工艺优化的时间，“因为我们可以喂它一些实验数据，预测的结果就可以指导下一步工艺参数的调整”。

作为一名毕业就从事激光薄膜研究并坚持二十多年的科学家，朱美萍也强调要加大对青年科研工作人员的支持力度。

她说，近年来国家已经出台多个措施对基础研究领域给予长期稳定的支持，让一部分科研工作者几年内都不用考虑经费专心做研究。但因为现在高校扩招，进入科研领域的青年人也越来越多，所以申请经费支持的人数也是在逐年增加。

朱美萍提到的上述现象，也体现在了实际数据中。

教育部数据显示，2023年全国共招收研究生130.17万人，比上年增长4.76%。其中，招收博士生15.33万人，比上年增长10.29%。在学研究生388.29万人，比上年增长6.28%。其中，在学博士生61.25万人，比上年增长10.14%。

国家自然科学基金委的报告显示，随着我国青年科研队伍持续快速壮大，青年科学基金项目资助率仍呈现下降趋势——已由2013年的25.2%降至2022年的17.23%。预计，未来10年每年的博士毕业人数仍将持续增长，到2030年左右达到峰值。

“希望国家层面能够给予更多的资助。同时，要营造一种能够宽容失败的氛围。因为做科研、走没有走过的路，自然会有失败的可能性。”朱美萍说。

31省份公布2023年人口数据