切磋琢“膜”成寶器

吳彪 李桐

無論是嚴寒酷暑，還是雨雪風霜，每個工作日的早上，80歲的范正修老先生都會騎著他那輛自行車準時出現(xiàn)在中國科學院上海光機所薄膜光學實驗室（以下簡稱“實驗室”）的辦公室里。作為實驗室的第一任主任，在過去的57年時光里，他的人生際遇，他的喜怒哀樂，早已和這座自己親手締造起來的實驗室融為一體，榮辱與共。

第二任實驗室主任邵建達是范正修的學生，如今已經成為上海光機所的所長。大學畢業(yè)之后，他就在實驗室長期從事高功率激光光學元器件相關研究。其間，他作為訪問學者先后前往英國和意大利從事超薄膜生長特性的研究。在意大利時，合作導師充分肯定他的工作進展并主動幫助落實夫人的工作。在孩子已經適應學校生活之時，面對中國科學院知識創(chuàng)新工程的召喚，他還是毅然放棄了國外已經漸入佳境的舒適工作，回到上海光機所，回到實驗室開啟事業(yè)的新征程，帶領著實驗室團隊為了突破一系列“卡脖子”的難題，持續(xù)開展我國ICF領域的光學材料、光學加工以及檢測技術相關的攻關工作，將中國團隊帶上了從跟跑到超越的科研高速路。

易葵是實驗室的第三任主任。18年前，初到實驗室的易葵接手的正是上一任室主任出國去做訪問學者留下的工作。動手能力極強的他給團隊留下了深刻的印象，也贏得了大家的佩服。易葵常說：“薄膜技術是一門工藝性很強的工作，要把工藝做好，不能只在電腦上算算、紙上畫畫就行了，一定要動手，更要動腦子?！?/p>

第四任實驗室主任是80后的朱美萍。她巾幗不讓須眉，親身見證并參與了中國激光薄膜研究水平從落后到反超的全過程，并且?guī)ьI團隊不斷提升著我國在激光薄膜領域的國際影響力。

2020年年底，實驗室主任的接力棒傳遞到了更為年輕的邵宇川手上，這位兩年前剛剛從美國歸來的年輕人，帶著一身的朝氣與抱負，誓將實驗室?guī)У揭粋€新的高度，展現(xiàn)中國年輕一代科研工作者的科學精神和蓬勃風采。

撰寫這樣一支團隊的發(fā)展歷程，就猶如在回憶一個大家庭的往事，他們如父如兄、亦師亦友，在艱苦卓絕和攻堅克難的背后，感受到更多的是溫暖和感動。作為我國第一支專業(yè)從事激光薄膜研究的團隊，半個多世紀以來，實驗室?guī)状瞬煌跣模o緊聚焦國家重大戰(zhàn)略需求和國民經濟主戰(zhàn)場，攻克了系列關鍵技術難題，成功建立了應用基礎研究、關鍵技術攻關與工程應用的自主創(chuàng)新生態(tài)鏈，取得了具有自主知識產權的重大創(chuàng)新成果，為我國神光系列高功率激光裝置、超強超短激光裝置等系統(tǒng)提供了大量高性能核心激光薄膜元件。

57年風雨如磐，在過去的20800多個日日夜夜里，每一個時期每一名參與其間的成員都感受至深。在這些人中，有白發(fā)蒼蒼的老科學家，也有風華正茂的年輕人，他們恐怕都已記不清自己到底度過了多少條溝溝坎坎和多少個不眠之夜。他們所付出的努力、做出的貢獻以及取得的成績，恰恰成為“一個成功團隊的發(fā)展史，必然是一群志同道合者的奮斗史”這句話的最好詮釋！

歷史篇：科技報國刻在基因里

俗話說：家有一老，如有一寶。80歲的范正修研究員便是上海光機所薄膜光學實驗室的“鎮(zhèn)室之寶”。老人家一輩子篤定科技報國的信念，從來沒有只把光學科研當作一份養(yǎng)家糊口的工作，而是視為自己生活不可分割的一部分，如今雖已至耄耋之年，他依然在實驗室的第一線和年輕人摸爬滾打、同甘共苦。

作為實驗室的第一任主任，范正修帶領著團隊從一窮二白的基礎之上起步，向著國際高水準奮起直追。稱他為我國激光薄膜事業(yè)的開拓者和元老毫不為過，但是提及于此，老先生總是謙遜地擺擺手，正色言道：“搞薄膜不是我一個人，而是很多人，是一個團隊，這是集體的智慧和力量?！?/p>

談及實驗室的成立，范正修精神一振，為我們講起那段歷史，仿佛又回到了那個激情燃燒的歲月。1960年5月，世界上第一臺激光器誕生在美國休斯實驗室里。同一時期，中國科學院長春光機所、北京電子所等單位的科技人員也在研究涉及激光方面的相關理論和實驗方案。著名科學家錢學森對激光領域的發(fā)展前景也做出了估計，并寫進全國《1963—1972年十年科學規(guī)劃綱要（草案）》之中。激光技術領域顯示的蓬勃生機，特別是中央領導的直接關心和國家有關部門領導的親自籌劃，加快了上海光機所組建的進程。1963年12月16日，毛澤東主席特別批示：“死光（激光）要組織一批人專門去研究它。要有一小批人吃了飯不做別的事，專門研究它?！?/p>

在這種背景下，上海光機所應運而生（由長春光機所和北京電子所聯(lián)合組建，最初叫作中國科學院長春光機所上海分所）。1964年8月，與研究所同步成立了我國第一支專業(yè)從事激光薄膜研究的團隊，當時叫作上海光機所第八研究室鍍膜課題組，主要職能是為神光裝置提供核心光學元件，并承擔具有重大歷史意義的國家特殊工程。由此可見，與行業(yè)的發(fā)展同呼吸，與國家的命運共起伏，這早已經寫進了薄膜光學實驗室團隊的先天基因里。

范正修大學一畢業(yè)就加入到了這支隊伍里。那時候上海光機所還在籌建中，但是由于時不我待，大家都是邊搬遷、邊安裝、邊研究、邊應用，在很短的時間內完成了科研工作基礎條件的建設?！皸l件很差，但是熱情很高！”他回憶起當時的情景，“那時候的設備條件非常簡陋，兩臺設備中，有一臺還是長春光機所借給我們的，另外一臺則是木頭殼子的。但就是在這種艱苦的環(huán)境下，我們用這些設備做出了中國第一塊1064nm激光高反射鏡！”

范正修一直念叨著這樣一種團隊精神，就是不管外部環(huán)境怎么樣，大家都是在盡最大力量創(chuàng)造條件來做出自己的貢獻。老人兒也好，年輕人也罷，沒有人追求個體的名利，都是埋頭兢兢業(yè)業(yè)做事！這也是在后來的幾十年間，神光聚變點火裝置幾度升級，對薄膜的要求不斷提升，可這支團隊始終能研制出保障裝置的激光薄膜的重要原因。

高性能激光薄膜元件是慣性約束聚變（ICF）激光驅動裝置、超強超短激光、空間激光等激光技術裝備中的核心元件，也是制約我國國防戰(zhàn)略和國民經濟制高點領域發(fā)展的一個瓶頸。高功率激光薄膜的制備是一個工藝環(huán)節(jié)冗長、復雜的系統(tǒng)工程，包括薄膜設計理論、高純原材料控制、光學表面超精密加工、納米精度膜厚控制、薄膜應力控制技術、檢測技術以及激光與薄膜態(tài)材料相互作用機理等研究內容，其中尤其以缺陷的全流程控制的難度為最，涉及多學科交叉，極其復雜，難度極大，西方國家對我國實施了嚴密的技術封鎖和產品禁運。

實驗室?guī)兹晤I導者內心都清楚，只有把核心技術掌握在自己手中，才能真正掌握競爭和發(fā)展的主動權，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全。

“志不求易者成，事不避難者進”，越是難啃的骨頭，越是展現(xiàn)擔當和作為的時刻。這些年來，團隊以高性能光學薄膜研制為牽引，建立了多種不同沉積技術的鍍膜機群和微結構制作平臺。同時，實驗室還建設了光譜、激光損傷、光學損耗、色散、面形、非線性、微觀結構表征以及材料成分檢測等綜合測試表征平臺。由此發(fā)展推動了用于增強激光薄膜和晶體材料激光負載能力的激光預處理技術，并首創(chuàng)了國內大口徑光學元件激光預處理平臺。在高性能激光薄膜元件的制備技術方面取得了重大突破，為我國神光系列高功率激光裝置、超強超短激光裝置等系統(tǒng)提供了大量高性能核心激光薄膜元件，在國際范圍內的激光薄膜競爭中，從跟跑、并跑，最終實現(xiàn)了超越。在打破禁運的同時，開始占領國際市場，出口俄羅斯、以色列等國，滿足了我國高功率激光研究的重大戰(zhàn)略需求，并推動了我國激光薄膜和相關行業(yè)的技術進步。

高性能激光薄膜技術是一項復雜的系統(tǒng)工程，每一步工藝是環(huán)環(huán)相扣的，一個微小細節(jié)的失誤都會使之前的工作付之東流。元件稍有差池就會影響后續(xù)裝置的運行。因此，半個世紀以來，實驗室的幾代科研工作者并沒有把工作視為只是單純地做一個元器件，而是一直堅持將薄膜光學作為一門學科發(fā)展，加強基礎研究，必須從機理入手，搞清楚科學問題，才有能力為國家任務提供保障。正因如此，中國才有了在激光這一領域不被“卡脖子”的今天。

攻關篇：從跟跑到超越之路

“讓具有強大能量的激光，能按照科學家的意愿，有序地奔赴靶點，是高功率激光反射薄膜的‘獨門功夫。高功率激光反射薄膜是唯一能迫使只知道直線前行的強激光按照人類的想法‘萬宗歸一的元件。它不但需要抵擋住‘所向無敵的高能激光的沖擊，保障高功率激光裝置不會‘自傷，還要高效地‘指揮激光的方向?！币陨线@樣一段文字的描述充滿了神奇和不可思議的色彩，而實驗室的科研人員將其變?yōu)楝F(xiàn)實的過程更是充滿了千辛萬苦。

隨著激光的發(fā)展，現(xiàn)在對激光的功率和能量要求越來越高。同樣地，隨著激光裝置功率的不斷上升，薄膜要足夠強韌，才能承受激光的沖擊。因此，損傷閾值就成為一項“金指標”——它代表著這個元件“控制指揮”激光的能力，其數(shù)值大小決定著能不能把激光能量完整地護送到靶點。

朱美萍解釋說，損傷閾值是一個描述薄膜元件能夠承受多高能量激光去打它的專業(yè)術語，值越高就代表它能承受激光的能量越高。“影響激光損傷閾值的因素有很多，比如說用的鍍膜材料本身的程度、基底清洗得干不干凈、鍍膜過程中用了什么樣的工藝等，只要里面有一丁點兒缺陷，哪怕只有微米量級的這種缺陷，就會導致薄膜在激光下壞掉，這個元件就沒法用了。”所以不斷地損壞、修復，提升激光薄膜的損傷閾值，就成了薄膜光學實驗室團隊努力的目標。

激光薄膜損傷閾值能力在國際間競爭激烈，已有50余年歷史的美國Boulder年度SPIE激光損傷國際會議組織的一年一度全球性光學薄膜激光損傷閾值水平競賽，代表著光學材料激光損傷研究領域的國際最高水平，向來是激光薄膜領域的科研人員最看重的比賽。

實際上，截至21世紀初，我國高功率激光裝置的應用中，高功率激光薄膜仍然被認為是最短的一塊短板。在參加國際競賽的初期，只能在中等水平上下徘徊，數(shù)值一度比第一名低了50%左右。實力不足自然無法贏得同行的尊重。十幾年前，實驗室成員在參加一次國際學術會議的時候，被國際同行當面毫不客氣地評價中國的激光薄膜水平落后了美國十幾年。這句話字字扎心，但在當時面對這樣的輕蔑時，實驗室成員卻無力反駁?！耙舱菑哪且豢唐穑揖桶底韵露Q心要在激光薄膜領域扎下根去，做出成績，不僅要打破西方的技術封鎖，更要實現(xiàn)反超！”朱美萍握緊了拳頭說道。

說到就要做到，但是又談何容易！要知道，從薄膜材料本身到涂膜工藝，再從運輸?shù)绞褂?，都容易產生缺陷。要提升這一薄膜的激光損傷閾值，面臨兩大技術挑戰(zhàn)：一是要知道缺陷在哪里，二是要抑制缺陷。面對著擺在案頭的這一課題，實驗室成員廢寢忘食，積極探索著答案。

實驗室團隊發(fā)明了薄膜光熱吸收測試裝置和方法，實現(xiàn)了缺陷3D分布的快速探測，得出了損傷點多起源于基底-膜層界面的結論；在此基礎上，團隊提出了激光“預植”缺陷技術，揭示了基底-膜層缺陷的耦合機制。在“相抑”環(huán)節(jié)，研究人員從各工序最大限度地抑制缺陷源，開發(fā)了新型“無界面”多層膜沉積技術，通過雙源共蒸實現(xiàn)兩種鍍膜材料交替界面的連續(xù)過渡，有效解決了界面缺陷密度高、結合力差、存在駐波場和應力突變的問題。團隊意識到，由于完美的“零缺陷”元件幾乎是不存在的，在高能量下仍有個別缺陷點導致薄膜元件在多次激光輻照下產生損傷，為此他們又創(chuàng)新性地提出缺陷“縫合”技術，使得缺陷處損傷閾值接近無缺陷膜層，突破性提升了薄膜元件的激光損傷閾值。

功夫不負有心人，作為代表中國激光薄膜最高水平的團隊之一，上海光機所薄膜光學實驗室在2012年再次參加激光損傷閾值國際競賽的時候，終于以微弱的優(yōu)勢奪取了冠軍。而在2018年和2019年，朱美萍帶領團隊再次卷土重來，并且以更大的優(yōu)勢蟬聯(lián)第一。2018年比第二名的損傷閾值高了20%，到了2019年更是驚人地高出了65%，實現(xiàn)了我國高功率激光薄膜技術從跟跑到領跑的大跨越，就連一向謙遜低調的范正修老先生也不無驕傲地表示：“這次的領先很難逾越。”

在激光聚變、超強超短激光等裝置中，有成千上萬件不同口徑的薄膜元件?？梢哉f，離開這種高性能的薄膜，這些裝置將寸步難行。而在ICF激光驅動裝置數(shù)萬件激光薄膜元件中，大尺寸偏振薄膜被認為尺寸最大、膜層最厚、難度最高。所以，大尺寸偏振薄膜元件與普克爾盒組成的光開關被譽為美國國家點火裝置七大奇跡之一。

隨著時代發(fā)展，我國I C F激光裝置對偏振薄膜元件提出的要求也達到米級尺寸，而國內先期僅能制備尺寸240mm×112mm×20mm的元件，與米級尺寸差距巨大。難點主要在三個方面：一是激光損傷，二是膜層厚度的控制，三是膜層龜裂。

“一米尺寸的激光偏振薄膜，它對厚度的控制要求就相當于要求從上海到北京大概1000公里的航程內，飛機的上下顛簸不能超過兩個毫米?！睆闹烀榔嫉拿枋鲋锌梢宰x出技術含量之艱深，“如果要在一米尺寸的元件上找一個隨機分布的缺陷的話，就相當于要在澳門特別行政區(qū)那么大的面積上找一粒隨機分布的沙子?！?/p>

西方對我國禁運大于500毫米的激光薄膜元件！從實驗室研究的過程中看，大尺寸激光薄膜元件制備技術一度是制約強激光技術發(fā)展的瓶頸，加上當時西方國家長期對我國實行技術封鎖，為了突破這項“卡脖子”難題，實驗室團隊從很早就未雨綢繆，自主創(chuàng)新，開展起大口徑激光薄膜元件從加工、鍍膜到相關檢測技術的一系列研發(fā)。

團隊提出并貫徹了基板加工、鍍膜及相關檢測全流程工藝控制的系統(tǒng)工程解決方案，攻克了大尺度激光偏振薄膜元件制備的系列關鍵技術難題，建立起從材料到器件的完備高功率固體激光技術支撐體系，發(fā)明了基板全口徑保形光順拋光技術，實現(xiàn)了基板全頻域波前高精度控制；發(fā)明了膜層厚度類分形光學監(jiān)控技術和均勻性修正方法，攻克了納米精度膜層厚度控制難題；發(fā)明了薄膜應力在線和離線檢測技術，提出了敏感層應力調控獨創(chuàng)技術，攻克了大尺寸偏振薄膜元件膜層龜裂的國際性難題。由此，實現(xiàn)了我國高功率激光光學元器件性能的跨越式發(fā)展，從跟跑、并跑，做到了整體性能比肩國際、部分元件國際領先，為國家重大專項激光裝置的技術路線選擇提供了不可或缺的支撐，在神光系列裝置、拍瓦裝置等軍事和民用領域得到應用，滿足了我國激光聚變研究的戰(zhàn)略需求。實驗室團隊主持完成的“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制備工藝技術及應用”項目還榮獲了2018年度國家技術發(fā)明獎二等獎，站到了國家科技獎勵的領獎臺上。

團隊篇：同舟共濟者贏

成績并沒有讓實驗室團隊成員滿足，在他們看來，榮譽也只是攻關路上新征程的開始，因為在科研的道路上，總會有更大的難題擺在團隊同伴的面前。

“隊伍不能散！”這是第一任實驗室主任范正修長久以來堅持的一個原則。從課題組到實驗室，從不足10個人到如今的百十號，從無到有，從弱到強，從一張白紙到繪滿藍圖，從一點突破到全面開花，57年崢嶸歲月，幾代人青春許國，時間見證了這一切的進展。實驗室團隊經受住一次次考驗，在錘煉中逐漸成長起來，成為我國激光事業(yè)發(fā)展的中堅力量，同時，也為我國薄膜光學的學科發(fā)展培養(yǎng)了一批領軍人才。范正修、易葵、朱美萍、邵宇川……這支團隊里，各種才能、各種性格的人都具備了，但是大家有一個共同點，那就是一心為了激光薄膜共同努力，在日益攻堅的過程中凝練出了一種對科研目標執(zhí)著追求的情感。

古語云：上下同欲者勝，同舟共濟者贏！“正因為有這樣好的一支團隊，有這樣一群同甘共苦的合作者，我們的項目才能很快地往前推進。”范正修代表大家一語道出成功的秘訣，“我們都清楚要干成一件事，必須先凝聚共識、統(tǒng)一思想，剩下的就是堅持、堅持、再堅持！”

看似尋常最奇崛，成如容易卻艱辛。在一串串堅實成果與榮譽的背后，都是一個個讓人難以盡述的破局過程。

由于西方國家的封鎖和禁運，設備之殤一度困擾著實驗室的工作人員?！澳菚r候國產設備比較容易出故障。我記得很清楚，當時人員配備沒有這么多，也沒有什么維修部門，只要設備出問題，肯定是我自己去修?！鄙頌榈谌螌嶒炇抑魅蔚囊卓洺Ｒ凰抟凰薜靥幚沓龉收系脑O備，他非但沒有怨言，反而覺得“這是很好的鍛煉機會，你自己擺弄過這些東西，更加深了你對設備的了解”。

那個時候，實驗室沒有先進的測試表征設備，很多測試都要到外單位去做。易葵回憶道：“那時候交通還沒有如今這么發(fā)達，我往往要早晨趕最早的那一班從嘉定到蘇州的長途車，中午之前趕到蘇州大學，找到老師幫我測試，等下午分析結果出來后，又馬不停蹄地再趕回嘉定，晚上連軸轉制作樣品，第二天再跑蘇州，如此反復?！?/p>

朱美萍初到實驗室的時候，沒有自動控制的鍍膜設備，膜層厚度都要由人工控制，精度和穩(wěn)定性是令人頭疼的難題。在長達七八年的時間里，朱美萍基本上每天都是守在鍍膜設備旁，對薄膜厚度進行人工監(jiān)控?！板兡C里面有一團光，我就要一直盯著，看它有沒有像火星兒一樣的東西，如果有火花出現(xiàn)，肯定就是缺陷很多了?！敝烀榔颊劦疆斈甑哪欠N感覺時打了一個形象的比喻，“就像直視汽車遠光燈時的那種感覺！每天超過10個小時的作業(yè)，眼睛前面全是這種亮光，就連晚上閉眼睡覺的時候，都感覺眼睛前面一團光亮。”

攻堅克難的征途上，工作幾乎占據(jù)了實驗室成員所有的時間，加班加點更成為他們的生活常態(tài)。工作需要經常出差，大家出差歸來常常是拎著行李就直奔辦公室。辦公室的燈總是在夜深人靜的時刻還亮著，那是大家一個又一個廢寢忘食的不眠之夜?！皬臎]有覺得條件艱苦，也沒有覺得累。對于自己熱愛的事業(yè)，自然要分分鐘全力以赴！”在外人看來這么“瘋狂”的作息方式，實驗室的成員卻覺得再平常不過。

正所謂“在科學的道路上沒有平坦的大路可走，只有在崎嶇小路上攀登的不畏勞苦的人，才有希望到達光輝的頂點”，也正所謂“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，這一批批跟隨激光薄膜一起成長起來的人，一步步成為團隊賴以倚仗、承上啟下的中間層，他們從前輩那里接過技術和精神的傳承，同時又把實驗室優(yōu)良的傳統(tǒng)以及隨著現(xiàn)代社會發(fā)展的先進技術一并傳給新的年輕人。

科技興國，人才最為稀缺寶貴！實驗室和研究所的領導們深知這一點，所以，他們敢于打破條條框框，敢于給年輕一代施展的平臺，敢于用大視野來挑選和培養(yǎng)人才。他們時刻關注著實驗室年輕人的成長，提醒他們不要只顧著自己去把問題解決掉，在問題解決的過程中要學會去總結和積累經驗，不但能做，還要能寫，最后還要能把它講出來，以此達到全面發(fā)展。

堅持學科發(fā)展，產學研全面攻關，也使得這個實驗室成為中國激光薄膜領域的“黃埔軍?！?。57年來，這里培養(yǎng)出了200多名研究生，在全國各高校、科研機構和重要的企事業(yè)單位中成為學術帶頭人或領導者。同時，這里的畢業(yè)生還創(chuàng)辦了幾十家高科技創(chuàng)業(yè)企業(yè)，為國家項目做貢獻的同時，注重成果轉化，將對激光的需求應用到民用市場上，滿足國計民生所需。

時至今日，實驗室主任的接力棒交到了年輕的邵宇川手上，實驗室早已不再為設備的簡陋和資金的困頓而束縛手腳，“這些年，國家給了我們那么大的支持，我們怎樣才能取得更好的成績，我覺得這也是一種新的壓力。但這種壓力更是一種動力，使得我們更加專注專業(yè)技術，時刻考慮怎么把這些設備用好，怎么把這些工藝做好，來保證完成國家交給的任務！”邵宇川的話擲地有聲，代表了實驗室所有成員的決心和信心。

顧盼回目，如影歷歷?？蒲兄窙]有盡頭，有了新的高度，就會有新的目標。從1964年到現(xiàn)在已經過去了整整57年，在這半個多世紀的時光里，幾代“薄膜人”將艱險視為淬煉，將磨難當作鍛造，見證了上海光機所薄膜光學實驗室不斷發(fā)展、不斷強大的一個完整歷程，其實這也正是我們國家在激光事業(yè)發(fā)展的一個縮影。

切磋琢磨，乃成寶器。每一天，80歲的范正修依舊準時出現(xiàn)在辦公室中，和年輕人在一起討論問題，分享心得?！爸灰€能走，走得動，我就一定來！人活著就要做事，工作對我而言就是一種享受。看到自己的工作有了成果，或者看到年輕人在不斷成長，對社會做出了貢獻，就是我最開心的時候?！崩先思倚呛堑夭[起了眼睛，仿佛已經看到了實驗室更加精彩光明的未來。