上光所在激光薄膜方面的系列進展

近年來，激光技術的迅速發展推動了光學薄膜空前的進步。不同的激光系統對薄膜元件有著各種各樣的性能需求，例如 ：特定波長範圍內的透 / 反射率、低的波前畸變，以及高的激光損傷閾值。

為了獲得理想的光譜性能，首先需要進行嚴格的薄膜設計。儘管通過商業化的膜系設計軟體能夠獲得特定的光譜性能，但是，應用於高功率激光系統的光學薄膜，還需同時具有高的激光損傷閾值和低的薄膜應力。中國科學院上海光學精密機械研究所光學薄膜研究與發展中心（簡稱薄膜中心），隸屬於中國科學院強激光材料重點實驗室，致力於研發高功率、超強超快和空間等激光系統所需的薄膜元件。

高功率激光薄膜

自上個世紀七十年代開始，薄膜中心就開始開展膜層中電場和溫度場分布對光學薄膜損傷閾值的影響。研究結果表明，對於氧化鉿/氧化硅（HfO2/SiO2）多層膜，HfO2 膜層中的電場強度越低，最強電場所處的位置，離空氣 - 膜層界面越遠，多層膜的損傷閾值就越高。此外，將外保護層和內保護層的思想運用於激光薄膜的膜系設計，以提高薄膜元件的力學強度，並抑制某些特定的損傷形貌，進而提升激光損傷閾值。

薄膜總應力包括來源於各個膜層及其膜層界面應力的貢獻。在薄膜總應力方面，由於各種鍍膜材料的應力不同，調整不同鍍膜材料的厚度比，是平衡薄膜總應力的有效手段。因此，薄膜中心發展了一套系統的激光薄膜設計方法，包括：譜性能、電場分布、外保護層和內保護層的優化設計，以及應力的平衡。

在薄膜製備過程中，精確的膜層厚度控制，對獲得優良的光譜性能而言至關重要。我們提出一種基於多個光學監控片的膜厚監控方法，為了減少厚度誤差，一些較厚的膜層被拆分成兩層，由不同的光學監控片進行監控。利用上述方法，可以獲得接近理論設計的光譜性能。

為了提升激光損傷閾值，理解激光損傷的源頭至關重要。缺陷是薄膜在激光輻照下產生損傷的主要誘因。通常來講，降低缺陷密度和提高缺陷的抗激光損傷能力，是提升激光損傷閾值的有效方法。因此，薄膜製備過程中的每一步都需要嚴格控制。

以基片加工與清洗為例，基片拋光過程中產生的納米級吸收性缺陷，會嚴重降低減反射膜和分光膜的激光損傷閾值。同時，基片表面的幾何結構性缺陷，會導致高反射多層膜中出現內部裂紋與電場增強，最終顯著降低激光損傷閾值。為了減少源於基片的缺陷，鍍膜腔室外和鍍膜腔室外分別採用超聲清洗和等離子體清洗的基片清洗方法。

除了源於基片表面的缺陷，鍍膜材料的噴濺也是一類重要的缺陷源頭。通過優化膜料預熔過程，以及採用金屬鉿取代氧化鉿作為初始鍍膜材料，可以有效地降低鍍膜材料噴濺引起的缺陷。

為了提高缺陷點的抗激光損傷能力，相對較高的氧分壓和相對較低的沉積速率，有助於薄膜的氧化。最近，我們還提出了共蒸界面技術，以提高多層膜界面性質，並釋放膜層應力。此外，後處理過程，包括激光預處理和氧 - 等離子體處理，也被用來提升激光損傷閾值。

薄膜元件的波前畸變依賴於基片的面形、多層膜的應力控制，以及測試與運行的環境。為了理解與控制薄膜沉積過程中的應力演化，我們建立了一套在線應力測試系統。該系統能通過調整沉積參數，對膜層應力進行調諧。

大口徑薄膜元件

與美國的 NIF 裝置與法國的LMJ 裝置一樣，中國的神光系列裝置也需要大口徑布儒斯特角偏振片和反射鏡等元件來操縱激光光束。我們採用等離子體輔助沉積技術結合傳統的電子束蒸發技術，製備出了大口徑的激光薄膜元件。這兩種沉積技術的結合，具有可對膜層應力進行調諧、保持高的激光損傷閾值，以及可擴展至大口徑元件的製備等優點。

2012年和2013年，我們研製的布儒斯特角偏振片參加了由SPIE激光損傷年會（在美國科羅拉多州博爾德市召開，每年一度，至今已有近50年的歷史）組織的全球性激光損傷閾值競賽。參賽樣品的P偏振態損傷閾值高達29.8J/cm2，是 2012 年提交的參賽樣品中的最佳結果。參賽樣品S偏振態損傷閾值高達 41.7J/cm2，僅比最高的結果低1J/cm2（在測試誤差內）。

迄今為止，我們製備的大口徑偏振片對角線尺寸達 900mm，在1053nm 處的P偏振光透射率高於98%，S偏振光反射率高於99%，可以承受高達14J/cm2（5ns脈寬）的激光通量，已經在 SG II-UP 系統中獲得良好應用。大口徑的傳輸反射鏡在1053nm 處的反射率高於 99.5%，可以承受的激光通量高達 30J/cm2（5ns，如圖 1 所示）。

超快激光薄膜

用於控制色散的色散鏡，例如啁啾鏡對、高色散鏡和低色散鏡，是超快激光系統中的關鍵元件，可以提供「負啁啾」或「正啁啾」。啁啾鏡對被廣泛用於補償特定帶寬內的正色散或負色散。我們提出採用基於針式優化和局部優化的組合方式，進行寬度啁啾鏡對設計。利用離子束濺射技術製備出啁啾鏡對，在 700~1400nm波長範圍內，具有高於 99.5% 的反射率，在 505~540nm 波長範圍內，具有高於 99% 的透射率，群延遲色散約為 -100fs2。

我們研究了啁啾鏡在 800nm（脈寬 ：38fs）處的激光損傷特性。採用多波長耦合離化模型描述激光誘導損傷行為，有助於理解飛秒激光輻照下的損傷行為。

我們還研製了結合啁啾鏡和GTI鏡特性的高色散鏡，在1030~1050nmd 的波長範圍內，具有約 -2500fs2 的群延遲色散，或者在1050~1056nm 的波長範圍內，具有高於 -10000fs2 的群延遲色散（如圖 2所示）。經群延遲色散為 -2500fs2 的高色散鏡反射 8 次後，脈衝可以從1.5ps 壓縮到 150fs。

寬頻、高反射的低色散鏡，可以有效避免在高功率激光系統額外引入色散。這些低色散鏡在 700~900nm的波長範圍內，可以獲得接近零的群延遲色散以及高反射率（>99.5%，S 偏振光，45°），並已成功應用於5PW激光器中。

空間激光薄膜

應用於空間環境中的薄膜，需要在高低溫交替的真空環境中穩定使用，並且要能承受長期的輻照。為了支撐我國嫦娥探月工程中所使用的激光高度計，我們針對特定空間環境優化薄膜沉積工藝，並研究了真空、污染、溫度循環、長期輻照對薄膜性能的影響。目前這類空間薄膜元件已經得到成功應用。

在過去的50年中，激光薄膜取得了迅猛發展。隨著對激光誘導損傷的理解與認識（例如應力釋放、界面缺陷抑制等），激光薄膜技術有望取得更大的進步，進一步促進下一代激光技術的發展。