强激光元件“纳米炸弹”终结者——记智能科学学院国防科技重点实验室副研究员石峰

作者:军事高科技在线 / 公众号:jsgkjzx 发布时间:2018-12-06

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强激光元件的制造过程中,不可避免地存在一些污染性的颗粒和损伤,在高功率、高能激光辐照等极端的应用条件下,它们如同“纳米炸弹”,会被引爆,如何去除元件亚表面的“纳米炸弹”,是超精密加工领域的世界性难题。
八年来,石峰和他的同事经过上万次试验,不仅成功破解了“纳米炸弹”的拆弹技术,解决了强激光元件高精度低损伤制造难题,而且使小口径强激光元件的抗损伤阈值提升到了新的高度——9.6 J/c㎡,达到国际先进水平,为国家重大工程提供了技术支撑。
目前,该项成果已顺利通过2017年度军队科技进步一等奖答辩。
“国家的需求就是我们的责任”
时间回溯到2010年。
博士毕业留校的石峰接到了一项特殊任务——用磁流变加工一块有特殊要求的自由曲面工件。其工艺要求就像在一块玻璃上雕出一些5到10微米尺度的指定图案,难度相当大。有专家甚至断言,这种复杂工艺的自由曲面工件的加工,需要进口国外专用设备。石峰细细琢磨,仅花了两周时间,就用磁流变把元件做出来了。元件送到用户单位测评,无论精度、形状,远远胜过传统工艺!业界一片震动。
牛刀初试的成功带来了机遇,也带来了更大的挑战。用户单位提出,国家需要大批量强激光元件,损伤阈值需达到8J/c㎡,如果学校可以技术攻关,就签军令状,研制时间为5年。
“国家的需求就是我们的责任。”团队负责人戴一帆教授欣然受命,并把强激光元件低损伤制造的攻关任务交给了石峰。
没想到,才打了一个漂亮仗的石峰,刚出师就遭遇了大挫败——精心加工的高精度元件,只要激光一测试,就会被“打”得千疮百孔。而用各种干涉仪和金相显微镜,却看不到损伤前驱体——划痕或污染的影子。
“找到纳米级别的炸弹,这就像在一片稻田里找出一粒有缺陷的种子。”有国际同行说。
两年后的一天,石峰突然从一则关于F22隐身战机的新闻中开悟了:隐身飞机之所以被认为“隐身”,是因为雷达波感知不到。实际上,在毫米波下,会暴露无遗。这些看似完美的元件,是否存在“隐身”的缺陷呢? 经过大量测试实验,他惊喜地发现,那些直径只有一粒灰尘(PM2.5)的1/2500,在一般检测方法下完全“隐身”的“纳米炸弹”,在等离子体组合光热扫描下,竟一一现身,划痕和污染清晰可辨!
在戴一帆教授的指导下,他们随后提出了纳米损伤前驱体概念,引起学术界广泛关注。以此为基础开展的研究获得了2018年度国家自然基金重点项目立项资助。
“只有原始创新才是打破技术垄断的最好办法”
找到了“纳米炸弹”,如何去除又不留痕迹呢?石峰和同事们再一次陷入困惑。
当时国际通行的兆声波酸洗方法,其设备投资近千万,课题组暂时不具备相关研究条件。石峰和同事采用简易的“土法酸洗”,结果元件不仅面形遭到破坏,而且还有二次污染。
“发达国家将高精度低缺陷制造视为国家机密,严密封锁相关技术消息,而完全的自主研发技术难度又太大。怎么办?”同事们不无担心。
石峰坚信,上山的路不会只有一条。原始创新虽然不易,但强激光元件是惯性约束聚变、激光武器、X射线自由电子激光等重大装置所急需,其制造水平直接决定了系统负载能力和输出性能,必须攻关突破!
石峰想到了被誉为“液体砂轮”的磁流变技术,它的核心技术——磁流变液配方正是他博士期间研制的,拥有完全自主的知识产权。他重新配制了磁流变液,果不其然,新加工的元件没留下任何划痕!但令大家没想到的是,激光测试却给了当头一棒:元件抗损伤阈值从7J/c㎡下降到了5J/c㎡。

▲研究中所用磁流变抛光装备
石峰重新检验测试件的各项指标,并用光学显微镜一层层往下“挖”,两个月后,终于找到“罪魁祸首”:磁流变加工后残留在工件表面的铁粉颗粒导致了阈值降低。
如何才能使密度大于水的铁粉在加工时能“悬浮”在水中,不接触工件表面呢? 在尝试了上千种不同化学配方后,石峰成功优化出强激光元件抛光专用磁流变液。同时通过大量理论计算仿真,他还发现在弹性和塑性区域间,存在一个弹塑性域!
采用新方法制造的元件,损伤阈值一下提高到8J/c㎡,达到国内先进水平。石峰提出的弹塑性域磁流变抛光理论和方法,也被Nature子刊论文作为重大技术创新引用。
“精无止境,只有不断地努力追求,才能实现突破”
课题研究任务基本完成,但石峰和同事没有停下探索的脚步,他们深知,能承受多大激光能量损伤阈值,就能发射多强的激光。他们将目光又瞄向了纳米污染缺陷的去除。
2014年初的一天,石峰和往常一样步行回家。经过一家干洗店时,他灵光乍现:洗衣有水洗和干洗之分,如果传统的用氢氟酸洗元件相当于水洗的话,那一定还有“干洗”的方法。经过反复实验,他最终通过离子束溅射清洗方法,发现了元件表面杂质元素含量的变化规律,利用这种“干洗”方法,不仅成功去除了纳米污染,缺陷控制精度与美国水平相当,而且大大提高了清洗效率。

▲研究中所用离子束抛光装备
国家急需上千件强激光元件,能否降低制造周期和成本呢?石峰和同事随即开始了优化组合新工艺的研究。
科研的道路从来没有坦途。2015年初,石峰发现,经过各种优化组合新工艺研制的元件,损伤阈值测试结果的离散度比较大,工艺输出不稳定。研究再次陷入“死胡同”。
他带领大家逐一排除“疑点”,但依旧一无所获。离课题验收时间越来越近,大家都开始焦虑。
“把元件融了检测吧!”石峰这一破釜沉舟的建议让大家面面相觑:一个元件成本一两万块钱,做出来要花大概三个月的时间。融了如果查不出原因,意味着一切又要从头开始。
“液体检测是目前我们掌握的最有效方法,”石峰果断提出,“只要找到原因,我们就可继续前进。”
元件融解后检测,轻金属元素污染!症结找到了,攻关的方向就有了。2015年年底,他们研制的小口径强激光元件,在权威机构经过7昼夜256个发次的激光损伤阈值测试,损伤阈值——9.6 J/c㎡,达到国际先进水平。
“精无止境,只有不断地努力追求,才能实现突破。”如今,石峰和他的同事正在向损伤阈值12J/c㎡发起冲锋。

短 评■智能科学学院政治委员许 路
在攻坚克难中续写中国精度
岗位就是战位,科技就是核心战斗力。石峰同志自参加工作以来,秉持超精人“精益求精、尽善尽美、创造卓越”的精神,一直坚守在超精加工领域,挺过了一个个瓶颈期,完成了一项项科研攻关,成功解决了强激光元件高精度低损伤制造中的一道道难题,使我国强激光元件制造水平跨入了国际领先行列,充分体现了我院科技工作者不畏艰难、敢打必胜的信心和勇气。
面对发达国家的技术封锁,他和团队同志一起突破“重围”;面对从未承担过的任务,他信心满满;面对失败的考验,他哪里跌倒哪里爬起来。在攀登科技高峰的征程中,石峰敢于“亮剑”、敢于冲锋陷阵,既展示了一名科技工作者的使命担当、也展示了一名军人的血性胆气。在当前军队改革关头,石峰的坚守和拼搏精神,尤显珍贵。

文字 | 赵晓宇国防科技大学教研保障中心新闻文化室主任记者,zxynudt@126.com。
图片 | 刘俊峰
编辑 | 龚小台,川子

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