切磋琢“膜”成宝器 | 中科院上海光机所薄膜光学实验室

原创 吴彪 李桐 科学中国人

中科院上海光机所薄膜光学实验室团队

骨曰切，象曰磋，玉曰琢，石曰磨，切磋琢磨，乃成宝器。人之学问知能成就，犹骨象玉石切磋琢磨也。——王充《论衡》

无论是严寒酷暑，还是雨雪风霜，每个工作日的早上，80岁的范正修老先生都会骑着他那辆自行车准时出现在中国科学院上海光机所薄膜光学实验室（以下简称“实验室”）的办公室里。作为实验室的第一任主任，在过去的57年时光里，他的人生际遇，他的喜怒哀乐，早已和这座自己亲手缔造起来的实验室融为一体，荣辱与共。

第二任实验室主任邵建达是范正修的学生，如今已经成为上海光机所的所长。大学毕业之后，他就在实验室长期从事高功率激光光学元器件相关研究。其间，他作为访问学者先后前往英国和意大利从事超薄膜生长特性的研究。在意大利时，合作导师充分肯定他的工作进展并主动帮助落实夫人的工作。在孩子已经适应学校生活之时，面对中国科学院知识创新工程的召唤，他还是毅然放弃了国外已经渐入佳境的舒适工作，回到上海光机所，回到实验室开启事业的新征程，带领着实验室团队为了突破一系列“卡脖子”的难题，持续开展我国ICF领域的光学材料、光学加工以及检测技术相关的攻关工作，将中国团队带上了从跟跑到超越的科研高速路。

易葵是实验室的第三任主任。18年前，初到实验室的易葵接手的正是上一任室主任出国去做访问学者留下的工作。动手能力极强的他给团队留下了深刻的印象，也赢得了大家的佩服。易葵常说：“薄膜技术是一门工艺性很强的工作，要把工艺做好，不能只在电脑上算算、纸上画画就行了，一定要动手，更要动脑子。”

第四任实验室主任是80后的朱美萍。她巾帼不让须眉，亲身见证并参与了中国激光薄膜研究水平从落后到反超的全过程，并且带领团队不断提升着我国在激光薄膜领域的国际影响力。

2020年年底，实验室主任的接力棒传递到了更为年轻的邵宇川手上，这位两年前刚刚从美国归来的年轻人，带着一身的朝气与抱负，誓将实验室带到一个新的高度，展现中国年轻一代科研工作者的科学精神和蓬勃风采。

撰写这样一支团队的发展历程，就犹如在回忆一个大家庭的往事，他们如父如兄、亦师亦友，在艰苦卓绝和攻坚克难的背后，感受到更多的是温暖和感动。作为我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队，半个多世纪以来，实验室几代人不忘初心，紧紧聚焦国家重大战略需求和国民经济主战场，攻克了系列关键技术难题，成功建立了应用基础研究、关键技术攻关与工程应用的自主创新生态链，取得了具有自主知识产权的重大创新成果，为我国神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置等系统提供了大量高性能核心激光薄膜元件。

57年风雨如磐，在过去的20800多个日日夜夜里，每一个时期每一名参与其间的成员都感受至深。在这些人中，有白发苍苍的老科学家，也有风华正茂的年轻人，他们恐怕都已记不清自己到底度过了多少条沟沟坎坎和多少个不眠之夜。他们所付出的努力、做出的贡献以及取得的成绩，恰恰成为“一个成功团队的发展史，必然是一群志同道合者的奋斗史”这句话的最好诠释！

薄膜光学实验室团队合影

历史篇：

科技报国刻在基因里

俗话说：家有一老，如有一宝。80岁的范正修研究员便是上海光机所薄膜光学实验室的“镇室之宝”。老人家一辈子笃定科技报国的信念，从来没有只把光学科研当作一份养家糊口的工作，而是视为自己生活不可分割的一部分，如今虽已至耄耋之年，他依然在实验室的第一线和年轻人摸爬滚打、同甘共苦。

作为实验室的第一任主任，范正修带领着团队从一穷二白的基础之上起步，向着国际高水准奋起直追。称他为我国激光薄膜事业的开拓者和元老毫不为过，但是提及于此，老先生总是谦逊地摆摆手，正色言道：“搞薄膜不是我一个人，而是很多人，是一个团队，这是集体的智慧和力量。”

谈及实验室的成立，范正修精神一振，为我们讲起那段历史，仿佛又回到了那个激情燃烧的岁月。1960年5月，世界上第一台激光器诞生在美国休斯实验室里。同一时期，中国科学院长春光机所、北京电子所等单位的科技人员也在研究涉及激光方面的相关理论和实验方案。著名科学家钱学森对激光领域的发展前景也做出了估计，并写进全国《1963—1972年十年科学规划纲要（草案）》之中。激光技术领域显示的蓬勃生机，特别是中央领导的直接关心和国家有关部门领导的亲自筹划，加快了上海光机所组建的进程。1963年12月16日，毛泽东主席特别批示：“死光（激光）要组织一批人专门去研究它。要有一小批人吃了饭不做别的事，专门研究它。”

第一任实验室主任范正修在阅读文献

在这种背景下，上海光机所应运而生（由长春光机所和北京电子所联合组建，最初叫作中国科学院长春光机所上海分所）。1964年8月，与研究所同步成立了我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队，当时叫作上海光机所第八研究室镀膜课题组，主要职能是为神光装置提供核心光学元件，并承担具有重大历史意义的国家特殊工程。由此可见，与行业的发展同呼吸，与国家的命运共起伏，这早已经写进了薄膜光学实验室团队的先天基因里。

范正修大学一毕业就加入到了这支队伍里。那时候上海光机所还在筹建中，但是由于时不我待，大家都是边搬迁、边安装、边研究、边应用，在很短的时间内完成了科研工作基础条件的建设。“条件很差，但是热情很高！”他回忆起当时的情景，“那时候的设备条件非常简陋，两台设备中，有一台还是长春光机所借给我们的，另外一台则是木头壳子的。但就是在这种艰苦的环境下，我们用这些设备做出了中国第一块1064nm激光高反射镜！”

范正修一直念叨着这样一种团队精神，就是不管外部环境怎么样，大家都是在尽最大力量创造条件来做出自己的贡献。老人儿也好，年轻人也罢，没有人追求个体的名利，都是埋头兢兢业业做事！这也是在后来的几十年间，神光聚变点火装置几度升级，对薄膜的要求不断提升，可这支团队始终能研制出保障装置的激光薄膜的重要原因。

高性能激光薄膜元件是惯性约束聚变（ICF）激光驱动装置、超强超短激光、空间激光等激光技术装备中的核心元件，也是制约我国国防战略和国民经济制高点领域发展的一个瓶颈。高功率激光薄膜的制备是一个工艺环节冗长、复杂的系统工程，包括薄膜设计理论、高纯原材料控制、光学表面超精密加工、纳米精度膜厚控制、薄膜应力控制技术、检测技术以及激光与薄膜态材料相互作用机理等研究内容，其中尤其以缺陷的全流程控制的难度为最，涉及多学科交叉，极其复杂，难度极大，西方国家对我国实施了严密的技术封锁和产品禁运。

实验室几任领导者内心都清楚，只有把核心技术掌握在自己手中，才能真正掌握竞争和发展的主动权，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

“志不求易者成，事不避难者进”，越是难啃的骨头，越是展现担当和作为的时刻。这些年来，团队以高性能光学薄膜研制为牵引，建立了多种不同沉积技术的镀膜机群和微结构制作平台。同时，实验室还建设了光谱、激光损伤、光学损耗、色散、面形、非线性、微观结构表征以及材料成分检测等综合测试表征平台。由此发展推动了用于增强激光薄膜和晶体材料激光负载能力的激光预处理技术，并首创了国内大口径光学元件激光预处理平台。在高性能激光薄膜元件的制备技术方面取得了重大突破，为我国神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置等系统提供了大量高性能核心激光薄膜元件，在国际范围内的激光薄膜竞争中，从跟跑、并跑，最终实现了超越。在打破禁运的同时，开始占领国际市场，出口俄罗斯、以色列等国，满足了我国高功率激光研究的重大战略需求，并推动了我国激光薄膜和相关行业的技术进步。

高性能激光薄膜技术是一项复杂的系统工程，每一步工艺是环环相扣的，一个微小细节的失误都会使之前的工作付之东流。元件稍有差池就会影响后续装置的运行。因此，半个世纪以来，实验室的几代科研工作者并没有把工作视为只是单纯地做一个元器件，而是一直坚持将薄膜光学作为一门学科发展，加强基础研究，必须从机理入手，搞清楚科学问题，才有能力为国家任务提供保障。正因如此，中国才有了在激光这一领域不被“卡脖子”的今天。

第二任实验室主任邵建达在工作中

攻关篇

从跟跑到超越之路

“让具有强大能量的激光，能按照科学家的意愿，有序地奔赴靶点，是高功率激光反射薄膜的‘独门功夫’。高功率激光反射薄膜是唯一能迫使只知道直线前行的强激光按照人类的想法‘万宗归一’的元件。它不但需要抵挡住‘所向无敌’的高能激光的冲击，保障高功率激光装置不会‘自伤’，还要高效地‘指挥’激光的方向。”以上这样一段文字的描述充满了神奇和不可思议的色彩，而实验室的科研人员将其变为现实的过程更是充满了千辛万苦。

随着激光的发展，现在对激光的功率和能量要求越来越高。同样地，随着激光装置功率的不断上升，薄膜要足够强韧，才能承受激光的冲击。因此，损伤阈值就成为一项“金指标”——它代表着这个元件“控制指挥”激光的能力，其数值大小决定着能不能把激光能量完整地护送到靶点。

朱美萍解释说，损伤阈值是一个描述薄膜元件能够承受多高能量激光去打它的专业术语，值越高就代表它能承受激光的能量越高。“影响激光损伤阈值的因素有很多，比如说用的镀膜材料本身的程度、基底清洗得干不干净、镀膜过程中用了什么样的工艺等，只要里面有一丁点儿缺陷，哪怕只有微米量级的这种缺陷，就会导致薄膜在激光下坏掉，这个元件就没法用了。”所以不断地损坏、修复，提升激光薄膜的损伤阈值，就成了薄膜光学实验室团队努力的目标。

激光薄膜损伤阈值能力在国际间竞争激烈，已有50余年历史的美国Boulder年度SPIE激光损伤国际会议组织的一年一度全球性光学薄膜激光损伤阈值水平竞赛，代表着光学材料激光损伤研究领域的国际最高水平，向来是激光薄膜领域的科研人员最看重的比赛。

实际上，截至21世纪初，我国高功率激光装置的应用中，高功率激光薄膜仍然被认为是最短的一块短板。在参加国际竞赛的初期，只能在中等水平上下徘徊，数值一度比第一名低了50%左右。实力不足自然无法赢得同行的尊重。十几年前，实验室成员在参加一次国际学术会议的时候，被国际同行当面毫不客气地评价中国的激光薄膜水平落后了美国十几年。这句话字字扎心，但在当时面对这样的轻蔑时，实验室成员却无力反驳。“也正是从那一刻起，我就暗自下定决心要在激光薄膜领域扎下根去，做出成绩，不仅要打破西方的技术封锁，更要实现反超！”朱美萍握紧了拳头说道。

第四任实验室主任朱美萍在对元件进行检测

说到就要做到，但是又谈何容易！要知道，从薄膜材料本身到涂膜工艺，再从运输到使用，都容易产生缺陷。要提升这一薄膜的激光损伤阈值，面临两大技术挑战：一是要知道缺陷在哪里，二是要抑制缺陷。面对着摆在案头的这一课题，实验室成员废寝忘食，积极探索着答案。

实验室团队发明了薄膜光热吸收测试装置和方法，实现了缺陷3D分布的快速探测，得出了损伤点多起源于基底-膜层界面的结论；在此基础上，团队提出了激光“预植”缺陷技术，揭示了基底-膜层缺陷的耦合机制。在“相抑”环节，研究人员从各工序最大限度地抑制缺陷源，开发了新型“无界面”多层膜沉积技术，通过双源共蒸实现两种镀膜材料交替界面的连续过渡，有效解决了界面缺陷密度高、结合力差、存在驻波场和应力突变的问题。团队意识到，由于完美的“零缺陷”元件几乎是不存在的，在高能量下仍有个别缺陷点导致薄膜元件在多次激光辐照下产生损伤，为此他们又创新性地提出缺陷“缝合”技术，使得缺陷处损伤阈值接近无缺陷膜层，突破性提升了薄膜元件的激光损伤阈值。

功夫不负有心人，作为代表中国激光薄膜最高水平的团队之一，上海光机所薄膜光学实验室在2012年再次参加激光损伤阈值国际竞赛的时候，终于以微弱的优势夺取了冠军。而在2018年和2019年，朱美萍带领团队再次卷土重来，并且以更大的优势蝉联第一。2018年比第二名的损伤阈值高了20%，到了2019年更是惊人地高出了65%，实现了我国高功率激光薄膜技术从跟跑到领跑的大跨越，就连一向谦逊低调的范正修老先生也不无骄傲地表示：“这次的领先很难逾越。”

在激光聚变、超强超短激光等装置中，有成千上万件不同口径的薄膜元件。可以说，离开这种高性能的薄膜，这些装置将寸步难行。而在ICF激光驱动装置数万件激光薄膜元件中，大尺寸偏振薄膜被认为尺寸最大、膜层最厚、难度最高。所以，大尺寸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。

随着时代发展，我国ICF激光装置对偏振薄膜元件提出的要求也达到米级尺寸，而国内先期仅能制备尺寸240mm×112mm×20mm的元件，与米级尺寸差距巨大。难点主要在三个方面：一是激光损伤，二是膜层厚度的控制，三是膜层龟裂。

“一米尺寸的激光偏振薄膜，它对厚度的控制要求就相当于要求从上海到北京大概1000公里的航程内，飞机的上下颠簸不能超过两个毫米。”从朱美萍的描述中可以读出技术含量之艰深，“如果要在一米尺寸的元件上找一个随机分布的缺陷的话，就相当于要在澳门特别行政区那么大的面积上找一粒随机分布的沙子。”

西方对我国禁运大于500毫米的激光薄膜元件！从实验室研究的过程中看，大尺寸激光薄膜元件制备技术一度是制约强激光技术发展的瓶颈，加上当时西方国家长期对我国实行技术封锁，为了突破这项“卡脖子”难题，实验室团队从很早就未雨绸缪，自主创新，开展起大口径激光薄膜元件从加工、镀膜到相关检测技术的一系列研发。

团队提出并贯彻了基板加工、镀膜及相关检测全流程工艺控制的系统工程解决方案，攻克了大尺度激光偏振薄膜元件制备的系列关键技术难题，建立起从材料到器件的完备高功率固体激光技术支撑体系，发明了基板全口径保形光顺抛光技术，实现了基板全频域波前高精度控制；发明了膜层厚度类分形光学监控技术和均匀性修正方法，攻克了纳米精度膜层厚度控制难题；发明了薄膜应力在线和离线检测技术，提出了敏感层应力调控独创技术，攻克了大尺寸偏振薄膜元件膜层龟裂的国际性难题。由此，实现了我国高功率激光光学元器件性能的跨越式发展，从跟跑、并跑，做到了整体性能比肩国际、部分元件国际领先，为国家重大专项激光装置的技术路线选择提供了不可或缺的支撑，在神光系列装置、拍瓦装置等军事和民用领域得到应用，满足了我国激光聚变研究的战略需求。实验室团队主持完成的“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制备工艺技术及应用”项目还荣获了2018年度国家技术发明奖二等奖，站到了国家科技奖励的领奖台上。

团队篇：

同舟共济者赢

成绩并没有让实验室团队成员满足，在他们看来，荣誉也只是攻关路上新征程的开始，因为在科研的道路上，总会有更大的难题摆在团队同伴的面前。

“队伍不能散！”这是第一任实验室主任范正修长久以来坚持的一个原则。从课题组到实验室，从不足10个人到如今的百十号，从无到有，从弱到强，从一张白纸到绘满蓝图，从一点突破到全面开花，57年峥嵘岁月，几代人青春许国，时间见证了这一切的进展。实验室团队经受住一次次考验，在锤炼中逐渐成长起来，成为我国激光事业发展的中坚力量，同时，也为我国薄膜光学的学科发展培养了一批领军人才。范正修、易葵、朱美萍、邵宇川……这支团队里，各种才能、各种性格的人都具备了，但是大家有一个共同点，那就是一心为了激光薄膜共同努力，在日益攻坚的过程中凝练出了一种对科研目标执着追求的情感。

古语云：上下同欲者胜，同舟共济者赢！“正因为有这样好的一支团队，有这样一群同甘共苦的合作者，我们的项目才能很快地往前推进。”范正修代表大家一语道出成功的秘诀，“我们都清楚要干成一件事，必须先凝聚共识、统一思想，剩下的就是坚持、坚持、再坚持！”

看似寻常最奇崛，成如容易却艰辛。在一串串坚实成果与荣誉的背后，都是一个个让人难以尽述的破局过程。

第三任实验室主任易葵在工作中

由于西方国家的封锁和禁运，设备之殇一度困扰着实验室的工作人员。“那时候国产设备比较容易出故障。我记得很清楚，当时人员配备没有这么多，也没有什么维修部门，只要设备出问题，肯定是我自己去修。”身为第三任实验室主任的易葵经常一宿一宿地处理出故障的设备，他非但没有怨言，反而觉得“这是很好的锻炼机会，你自己摆弄过这些东西，更加深了你对设备的了解”。

那个时候，实验室没有先进的测试表征设备，很多测试都要到外单位去做。易葵回忆道：“那时候交通还没有如今这么发达，我往往要早晨赶最早的那一班从嘉定到苏州的长途车，中午之前赶到苏州大学，找到老师帮我测试，等下午分析结果出来后，又马不停蹄地再赶回嘉定，晚上连轴转制作样品，第二天再跑苏州，如此反复。”

朱美萍初到实验室的时候，没有自动控制的镀膜设备，膜层厚度都要由人工控制，精度和稳定性是令人头疼的难题。在长达七八年的时间里，朱美萍基本上每天都是守在镀膜设备旁，对薄膜厚度进行人工监控。“镀膜机里面有一团光，我就要一直盯着，看它有没有像火星儿一样的东西，如果有火花出现，肯定就是缺陷很多了。”朱美萍谈到当年的那种感觉时打了一个形象的比喻，“就像直视汽车远光灯时的那种感觉！每天超过10个小时的作业，眼睛前面全是这种亮光，就连晚上闭眼睡觉的时候，都感觉眼睛前面一团光亮。”

攻坚克难的征途上，工作几乎占据了实验室成员所有的时间，加班加点更成为他们的生活常态。工作需要经常出差，大家出差归来常常是拎着行李就直奔办公室。办公室的灯总是在夜深人静的时刻还亮着，那是大家一个又一个废寝忘食的不眠之夜。“从没有觉得条件艰苦，也没有觉得累。对于自己热爱的事业，自然要分分钟全力以赴！”在外人看来这么“疯狂”的作息方式，实验室的成员却觉得再平常不过。

正所谓“在科学的道路上没有平坦的大路可走，只有在崎岖小路上攀登的不畏劳苦的人，才有希望到达光辉的顶点”，也正所谓“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”，这一批批跟随激光薄膜一起成长起来的人，一步步成为团队赖以倚仗、承上启下的中间层，他们从前辈那里接过技术和精神的传承，同时又把实验室优良的传统以及随着现代社会发展的先进技术一并传给新的年轻人。

科技兴国，人才最为稀缺宝贵！实验室和研究所的领导们深知这一点，所以，他们敢于打破条条框框，敢于给年轻一代施展的平台，敢于用大视野来挑选和培养人才。他们时刻关注着实验室年轻人的成长，提醒他们不要只顾着自己去把问题解决掉，在问题解决的过程中要学会去总结和积累经验，不但能做，还要能写，最后还要能把它讲出来，以此达到全面发展。

坚持学科发展，产学研全面攻关，也使得这个实验室成为中国激光薄膜领域的“黄埔军校”。57年来，这里培养出了200多名研究生，在全国各高校、科研机构和重要的企事业单位中成为学术带头人或领导者。同时，这里的毕业生还创办了几十家高科技创业企业，为国家项目做贡献的同时，注重成果转化，将对激光的需求应用到民用市场上，满足国计民生所需。

时至今日，实验室主任的接力棒交到了年轻的邵宇川手上，实验室早已不再为设备的简陋和资金的困顿而束缚手脚，“这些年，国家给了我们那么大的支持，我们怎样才能取得更好的成绩，我觉得这也是一种新的压力。但这种压力更是一种动力，使得我们更加专注专业技术，时刻考虑怎么把这些设备用好，怎么把这些工艺做好，来保证完成国家交给的任务！”邵宇川的话掷地有声，代表了实验室所有成员的决心和信心。

现任实验室主任邵宇川在工作中

顾盼回目，如影历历。科研之路没有尽头，有了新的高度，就会有新的目标。从1964年到现在已经过去了整整57年，在这半个多世纪的时光里，几代“薄膜人”将艰险视为淬炼，将磨难当作锻造，见证了上海光机所薄膜光学实验室不断发展、不断强大的一个完整历程，其实这也正是我们国家在激光事业发展的一个缩影。

切磋琢磨，乃成宝器。每一天，80岁的范正修依旧准时出现在办公室中，和年轻人在一起讨论问题，分享心得。“只要还能走，走得动，我就一定来！人活着就要做事，工作对我而言就是一种享受。看到自己的工作有了成果，或者看到年轻人在不断成长，对社会做出了贡献，就是我最开心的时候。”老人家笑呵呵地眯起了眼睛，仿佛已经看到了实验室更加精彩光明的未来。

原标题：《切磋琢“膜”成宝器 | 中科院上海光机所薄膜光学实验室》

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