强激光薄膜：突破高能激光系统瓶颈。 导读
在强激光系统中，激光薄膜是实现光束调控、能量控制的核心环节，其性能直接决定了激光输出质量与系统稳定性。从空间碎片清除到激光材料加工，强激光的广泛应用对薄膜的光学性能、抗激光损伤能力提出了严苛要求。近期，同济大学精密光学工程研究所王占山、张锦龙教授团队以Research progress and prospects of laser coating technology为题，在Light: Advanced Manufacturing发表综述文章，系统梳理了强激光薄膜技术的研究进展。
本文深入剖析了强激光薄膜的光场调控原理、激光诱导损伤机制，总结了结构优化、材料工程、缺陷消除三大抗损伤策略，并展望了该领域未来发展方向，为强激光系统的性能突破提供关键技术参考。
光学薄膜：强激光系统的光学核心
现代光学薄膜是通过多层薄膜或微纳结构，实现对激光振幅、光谱、偏振、传播方向精准调控的技术。与传统光学元件依赖体积相位积累不同，光学薄膜以平面微结构干涉为核心，能在极小的空间内实现高效光操纵，是强激光系统小型化、集成化的关键。
从技术发展来看，强激光已从早期的一维多层膜演进到多维微结构体系——包括多层膜、多孔纳米结构、光栅、超表面等，如图1所示。例如，多孔二氧化硅纳米结构可将可见光波段反射率降至0.5%以下，而多层介质光栅能在飞秒激光压缩中实现近100%的衍射效率。进一步的，将多层膜和超表面垂直整合，形成准三维超构表面，能够在保持超表面多维调控能力的同时，进一步增大调制效率，这些特性为强激光的能量控制、光束整形提供了更多可能。
图1：光学多层膜、光栅和超表面示意图
核心挑战：激光诱导损伤如何制约系统功率提升
尽管强激光薄膜的性能持续进步，激光系统输出能量仍然受限，核心原因是薄膜的强激光损伤：当薄膜暴露于强激光下，会经历可逆性能退化—初始损伤—损伤扩展的过程，最终导致器件失效。根据激光脉冲宽度不同，损伤机制呈现显著差异，如图2所示：短脉冲（飞秒-皮秒）下，能量沉积极快，晶格来不及散热，主要通过多光子电离、隧道电离引发冷损伤，损伤区域无明显熔融残留；长脉冲（纳秒）时，能量会引发材料熔融、汽化甚至等离子体爆炸，伴随裂纹、膜层剥离等复杂损伤形态；而在连续激光作用时，热积累效应显著，易因局部温度过高导致膜层熔融或热应力开裂。
图2：薄膜器件的强激光失效、损伤
激光诱导损伤主要源于多层膜界面、微结构形成的局域电场增强，材料的本征吸收，以及制备过程中的缺陷、污染引入的 局域热点。 为解决激光诱导损伤问题，研究人员围绕降低电场增强、优化材料性能、消除缺陷三大方向，开发了一系列技术方案，如图3所示。
图3：基于降低电场增强、优化材料性能、消除缺陷的高损伤阈值强激光薄膜技术方案
结构优化：调控电场分布规避损伤风险
通过设计多层膜结构，将高电场区域转移到抗损伤能力更强的材料中，是提升损伤阈值的有效手段。如将多层膜中的高电场峰值从高折射率层（如HfO2）转移到宽禁带的低折射率层（如SiO2），或采用广角高反膜设计以减少激光在节瘤缺陷处的穿透深度等。此外，利弗莫尔实验室应用金属纳米颗粒掩膜刻蚀制备具有超宽带增透和双折射性能的超表面器件，其机械、化学性能均高于传统光学元件，且具备独特的非生长型激光诱导失效性能，损伤阈值接近未刻蚀块材。
然而，很多结构设计常面临性能冲突——例如，提升衍射效率可能导致电场增强，增加损伤风险。未来需结合人工智能算法，实现光学性能-电场分布-工艺可行性的多目标协同优化。
材料工程：从成分设计增强抗损伤本质
材料的禁带宽度、热稳定性直接决定抗损伤能力，通过材料改性可从根本上提升薄膜的抗损伤性能，如高温退火减少介质膜中的吸收性氧空位，采用纳米复合改性提升禁带宽度，或将高/低折射率材料制成亚纳米级交替叠层，实现折射率与禁带宽度的独立调控，突破传统材料的性能限制。
缺陷消除：从缺陷源头减少损伤诱因
缺陷是激光损伤的导火索，针对性消除缺陷可显著提升镀膜可靠性。如低功率激光提前清除缺陷的激光预处理方法，薄膜制备时通过离子束沉积将缺陷平面化，超声、离子氧等污染的后处理方法等。
尽管形成了各类缺陷的处理方案，但缺陷的可视化困难，传统检测技术难以识别亚纳米级的吸收中心，未来需发展近场光学成像技术，实现缺陷的可视化与定量化，为缺陷控制提供数据支撑。
总结与展望
强激光薄膜是高能激光系统的光学核心，其性能直接决定了激光能量的控制精度与系统可靠性。本文系统梳理了该领域的技术脉络——从光场调控原理到损伤机制，再到抗损伤策略，为后续研究提供了清晰的技术路线图。
随着激光系统向更高功率、更紧凑结构、更宽波段发展，强激光薄膜需要进一步平衡性能、工艺、成本，走向大面积、高精度，并实现从亚微米到纳米级缺陷的精准检测。随着结构设计、材料工程与制造、检测技术的持续进步，强激光薄膜将有望突破当前的损伤阈值限制，为拍瓦级激光系统、惯性约束聚变、空间激光通信等重大应用提供更可靠的光学解决方案。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.055
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作者：王占山等 来源：《光：先进制造》
