当我们谈到激光技术，总会联想到科幻电影中的炫目场景。然而，在现实世界中，激光技术也能用于核聚变，而这一切的核心秘密之一，竟能藏在一片小小的玻璃中。激光玻璃是固体激光器的重要组成部分，主要由玻璃基质和激活离子构成。尤其是掺有Nd³⁺（钕）离子的玻璃，其紫外-可见光吸收强、受激发射截面大，使得钕玻璃成为氙灯泵浦激光装置的首选。1963年，中国科学家利用棒状钕玻璃获得了激光输出，开启了我国钕玻璃激光科学研究新纪元。上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）作为全球激光钕玻璃技术的引领者，不断推动着这一领域的创新和发展。本文将为您揭开激光钕玻璃背后的科技奥秘，看看这片玻璃是如何成为激光世界中的明星。
为全力支持我国激光事业发展，实现激光赛道上的“弯道超车”，作为发展激光器制造技术的核心——激光钕玻璃，上海光机所研究团队重点围绕其效率提升、制备流程开展了全面广泛的科学研究。自1964年起，在上海光机所的引领下，激光钕玻璃的研究熠熠生辉、收获颇丰。
20世纪60年代至80年代初，激光钕玻璃的研究集中在Nd³⁺离子在不同玻璃基质中的光谱和激光性质。研究发现，掺钕硅酸盐和磷酸盐玻璃比掺钕硼酸盐玻璃具有更高的量子效率和更低的激光阈值，能够获得更高的输出能量。1963年，研究团队探讨了玻璃基质对Nd³⁺离子光谱特性的影响，明确了玻璃成分、Nd³⁺浓度等因素对激光性能的影响，为后续研发奠定了基础。
1964年，上海光机所成功研发了N01型硅酸盐激光钕玻璃，并实现了114 J的激光输出。为了提升工艺性能和激光效率，1965至1973年间，进一步研发了N03型硅酸盐激光钕玻璃，其在机械性能、化学稳定性和激光效率方面都有显著提升。1969年，在尺寸为Φ120mm×5000mm的N03型硅酸盐激光钕玻璃中，实现了3.38×10⁵ J的高能激光输出，这是激光钕玻璃领域的重大突破。
为了更好地理解激光钕玻璃在激光放大过程中的物理现象，20世纪80年代初，研究团队深入研究了Nd³⁺离子在玻璃基质中的能级分裂、荧光中心波长、非均匀展宽和多声子弛豫过程。这些研究不仅为新型钕玻璃的开发提供了理论支持，还为激光放大过程中的物理分析提供了科学依据。
在提高抗激光破坏阈值和储能特性方面，研究集中在高氧化硅含量的N04、N06和N07型硅酸盐激光钕玻璃上。虽然N04和N06型玻璃的制备工艺性能较差，但N07型玻璃的工艺性能优越，并进行了100 L以上规模的试制。为减少激光束的热畸变，研发了N08和N09型硅酸盐激光钕玻璃，这些玻璃在热光系数方面得到了有效改进。此外，N10型硅酸盐激光钕玻璃通过表面离子交换技术提高了机械强度，适用于重复频率应用。
20世纪70年代，针对硅酸盐激光钕玻璃在增益性能和激光破坏阈值等方面的问题，研究团队开始探索磷酸盐激光钕玻璃。基于R₂O-RO-Al₂O₃-P₂O₅和BaO-Al₂O₃-P₂O₅体系的研究，开发了N21和N24型磷酸盐激光钕玻璃。N21型玻璃在神光I高功率激光装置中获得应用。
随着高功率激光装置需求的增加，上海光机所于1998年研发了N31型磷酸盐激光钕玻璃，其受激发射截面高于N21型，非线性折射率更低。N31型玻璃自2000年在神光II装置中应用以来，已在国内外多种激光器中得到了广泛验证。2016年，为进一步提升激光增益性能，上海光机所开发了N41型磷酸盐激光钕玻璃，其非线性折射率较N31型更低，增益能力更高，被列为当前激光聚变装置建设的首选增益介质。2018年，研发了N51型磷酸盐激光钕玻璃进一步提升了增益性能，受激发射截面高达4.3×10⁻²⁰ cm²，此外由于其超低的热光系数（-19×10-7/℃），已在国内外重频大能量激光系统中得到应用。
为满足重复频率激光需求并推动激光钕玻璃在工业加工领域的应用，研究团队在耐热冲击型激光钕玻璃方面开展了大量基础性研究。2010年左右，上海光机所启动了NAP2和NAP4型铝磷酸盐激光钕玻璃的研制，这些玻璃具有低膨胀系数和高热导率，适用于低重复频率、高平均功率激光器的应用需求。
激光钕玻璃的制备工艺在过去几十年中经历了显著进步，从早期的硅酸盐玻璃坩埚熔炼发展到当前的磷酸盐玻璃连续熔炼技术。激光钕玻璃的尺寸也从最早的数百毫升提升到现在的15 L/piece。相比于普通光学玻璃，激光钕玻璃的制备工艺复杂，需要同时满足光学和激光两方面的性能指标要求，其制备难度远高于一般的光学玻璃制品。为满足高功率激光装置应用，激光钕玻璃需要达到激光波长吸收损耗低、荧光寿命长、光学均匀性高、无夹杂物引发激光破坏、消除寄生振荡等技术要求。
激光钕玻璃的制备工艺包括熔制、粗退火、精密退火、包边和光学加工等五个环节，涉及除杂质、除羟基、去除条纹、除铂金、包边等关键技术。熔制技术是核心，经历了从单坩埚熔炼、半连续熔炼到连续熔炼的发展过程。
杂质控制技术。原料的纯度对激光钕玻璃的光吸收损耗有重要影响，国内外对原料纯度有严格要求，尤其是对过渡金属杂质和稀土离子的含量控制。在20世纪60年代，上海光机所通过与上海跃龙化工厂、上海试剂三厂合作，制定了特定纯度原料的采购标准，并解决了相关技术难题。20世纪90年代，上海光机所在嘉定建立了磷酸盐激光玻璃原料生产基地，进一步提高了原料的纯度，满足了高性能激光钕玻璃的需求。21世纪以来，国内原料纯度控制技术显著提升，为降低激光钕玻璃的损耗和提高激光效率提供了保障。
羟基消除技术。羟基会对Nd3+离子的发光产生猝灭效应，从而影响激光器效率。1985年，上海光机所引入了反应气氛法，通过含氯气氛成功减少了磷酸盐激光钕玻璃中的羟基含量，达到了国际水平。进一步研究表明，羟基含量降低后，Nd3+离子的荧光寿命延长，同时玻璃的热性能和力学性能有所改善。
铂颗粒消除技术。铂颗粒的存在会导致激光钕玻璃局部炸裂，影响其使用。20世纪60年代，上海光机所首次通过计算指出，铂颗粒吸收激光能量后气化是造成玻璃破裂的主要原因。经过多年的研究，上海光机所开发了基于氧化法的铂金坩埚除铂颗粒技术，并成功应用于半连续和连续熔炼工艺中。1995年以来，该技术已成功应用于大尺寸磷酸盐激光钕玻璃的制备，显著提高了体损伤阈值。
坩埚熔炼技术。坩埚熔炼技术分为三个阶段。第一个阶段是单坩埚浇注成型工艺，使用陶瓷或铂金坩埚进行熔炼，主要用于早期的硅酸盐激光钕玻璃。第二个阶段是铂金坩埚漏料成型工艺，从1978年起应用于磷酸盐激光钕玻璃的生产，通过漏料管浇注熔体，提升了光学均匀性。第三个阶段是半连续坩埚熔炼工艺，自1993年以来得到广泛应用，优化了除羟基和除铂颗粒的技术，提升了生产效率。2005年，上海光机所成功开发了50 L半连续坩埚熔炼技术，满足了大尺寸激光钕玻璃的生产需求。
连续熔炼技术。相比坩埚熔炼技术，连续熔炼技术具有更高的生产效率和产品性能一致性。21世纪初，激光钕玻璃的连续熔炼技术在美国利弗莫尔国家实验室的领导下取得了突破，大幅提升了生产效率和光学均匀性。上海光机所于2005年开始研发该技术，2012年成功应用于大尺寸激光钕玻璃的批量生产，生产效率约为半连续熔炼的8至10倍。
包边技术。激光钕玻璃的包边技术对于抑制自发辐射放大（ASE）至关重要。目前主要有三种包边方法：浇注包边法、硬包边技术和软包边技术。浇注包边法适用于小尺寸激光钕玻璃，硬包边技术适用于椭圆形激光钕玻璃，而软包边技术则被广泛应用于大尺寸激光钕玻璃中，尤其是在神光系列装置中得到了有效应用。这些技术确保了激光钕玻璃在高功率激光装置中的增益能力和光束质量。
自1960年激光发明以来，国际科学家如俄罗斯的NG Basov、美国的John M. Dawson和我国的王淦昌院士等，已认识到激光具备高功率密度和极高能量集中性，能够用于核聚变研究。1973年，上海光机所在万兆瓦钕玻璃激光装置上取得了103的中子产额，1974年激光功率和中子产额再提升，验证了激光聚变的原理。
从20世纪70年代至今，美、日、英、法、中、俄等国建造了多台钕玻璃激光驱动装置，能量输出实现了从百焦耳到兆焦耳的飞跃。美国国家点火装置（NIF）是目前世界上规模最大的激光聚变装置，使用了3072片尺寸为810 mm×460 mm×40 mm的钕玻璃。我国的“神光”和“星光”系列激光装置也采用了国产激光钕玻璃，以满足高能量密度物理研究需求。我国正在建设规模更大的激光驱动装置，预计需要数千片大尺寸钕玻璃，并对技术指标提出更高要求。
上海光机所研发的N31等型号激光钕玻璃已在我国超强超短激光装置和激光冲击强化用激光器中应用，提供了高功率激光输出的材料保障。国产小尺寸钕玻璃也已出口至俄罗斯、法国和英国，展示了我国在激光领域的领先地位和国际影响力。
国内外ICF 为主的高功率激光装置发展进程
上光所研制的中国高功率激光装置应用的激光钕玻璃
目前，我国已掌握激光钕玻璃的全部技术，整体水平居于世界前列。随着高功率激光技术的发展，对钕玻璃的性能提出了新的要求，需要进一步优化以支持未来的激光聚变技术。
科学编辑 | 佚名
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