作者：焦宏飞，钮信尚，汲小川，李冬冬，方圣欢，马彬，张锦龙，程鑫彬，王占山
单位：同济大学物理科学与工程学院；
先进微结构材料教育部重点实验室;
上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台；
上海市数字光学前沿科学研究基地；
同济大学精密光学工程技术研究所
一束强脉冲激光，为什么要在意万分之一？
设想一束纳秒级强脉冲激光打在一面高反射镜上——单个脉冲只有几十亿分之一秒，能量却高达数千焦耳。即便薄膜的吸收率只有万分之一，仍有一份可观的能量瞬间沉积到纳米量级厚度的膜层里，来不及散开。
这点能量看起来不算什么，但对强激光薄膜而言，关键不在“多少”，而在“多快”：它在极短时间内沉积在微观尺度上，瞬间的能量密度足以让膜层局部升温、气化乃至击穿。一旦薄膜里还藏着节瘤、吸收中心这类缺陷，局部能量沉积更容易成为损伤的导火索，而且往往不可逆。
这正是强激光技术发展中一个耐人寻味的现象：当功率越做越高，过去可以忽略不计的微小损耗，反而逐渐成为制约整机性能的关键瓶颈。
在高功率激光装置里，除了产生激光的增益介质，反射镜、分光镜、偏振器和脉冲压缩光栅等光学元件同样不可或缺。而这些元件之所以能实现精密的光场调控，靠的往往就是由多层纳米至亚微米尺度膜层构成的光学薄膜。
这些薄膜看似纤薄如蝉翼，却肩负着精准调控强激光、保障系统稳定运行的重任。
薄薄的镀层，如何驾驭强大的激光？
日常镜子靠表面反射成像，而强激光系统中的高性能反射镜则完全不同：它把不同折射率的介质材料一层层交替镀上去，构成复杂的多层膜结构，靠的是光的干涉原理。光进入薄膜后，会在每一层界面上发生反射；只要精确控制材料折射率和每层厚度，就能让反射光彼此叠加、越叠越强，得到极高的反射率；也可以让它们相互抵消，实现增透。
在此基础上再做精密设计，还能进一步调控光的偏振、相位和色散等性质。
不过，对高功率激光而言，反射率高不等于就扛得住强光照射。两面反射率同样是99.9%的镜子，抗激光损伤的本领可能相差很大。原因在于强激光薄膜其实肩负着两项不同的使命：既要精准调控光，又要在强光轰击下保全自身。而后者，往往栽在肉眼看不见的微小缺陷上。
最危险的地方，可能是肉眼看不见的缺陷
真实世界里的薄膜不可能镀得完美无缺。沉积过程中，微小颗粒、局部结构起伏、微孔，乃至纳米尺度的吸收中心，都可能削弱薄膜的抗激光损伤能力。其中最典型的一类，叫做“节瘤缺陷”。它常常由沉积过程中落在基底上的一颗小颗粒引发：随着薄膜一层层往上长，颗粒周围会逐渐隆起，使原本平整的膜结构拱起一个“瘤”。这种结构畸变会让局部电场集中——本该均匀铺开的光场，在瘤尖附近被猛地聚起来，损伤风险随之陡增。
同济大学精密光学工程技术研究所长期关注这一问题。
2018年，谢凌云、何涛、张锦龙、焦宏飞、马彬、王占山、程鑫彬等在《强激光与粒子束》发表工作，通过人工构造节瘤缺陷、三维电场数值模拟和激光损伤实验，清晰揭示了缺陷几何、电场增强与激光损伤三者之间的因果链条。
图1 节瘤缺陷平坦化前后的电场分布与损伤形貌。图中比较了未经平坦化和部分平坦化处理的节瘤结构，以及对应的局部电场增强和损伤形貌。经过平坦化处理，节瘤附近的电场集中现象得到明显抑制，表现出更好的抗损伤能力。图中的30 J/cm2和80 J/cm2对应所展示形貌的辐照条件，不应直接理解为完整样品的统计损伤阈值
图片来源：谢凌云等，《强激光与粒子束》，2018，30：092001，原论文图9
这项研究讲清了一件事：薄膜表面哪怕只有一个微米量级的小鼓包，也足以让它在强激光下的表现大打折扣。
所以，要提升薄膜的抗激光损伤能力，光盯着整体的平均光学性能远远不够，必须把局部缺陷和它引发的光场畸变一并研究清楚。
能否让这些微小缺陷变得不再危险？
既然缺陷难以完全避免，能否通过人为干预降低它们的危害？
一条重要思路，是给缺陷“改形”。比如用离子束沉积与刻蚀等手段，把节瘤隆起磨平、削缓，从几何上抑制电场集中——就像把陡峭的山峰削成缓坡，让光场重新均匀铺开。另一条思路则是“从源头少出缺陷”：通过严格的基底清洗、洁净的沉积环境控制、膜层微结构优化和后处理等措施，把颗粒污染和吸收性缺陷压到最低。
2025年，同济大学夏菁菁、张锦龙、焦宏飞、钮信尚、程鑫彬、王占山等在Light: Advanced Manufacturing发表综述，系统梳理了强激光薄膜技术的发展脉络与未来方向，重点讨论了节瘤缺陷、纳米吸收中心及相应的缺陷控制技术。
图2 强激光薄膜缺陷控制的主要技术路线。图a展示节瘤平坦化与节瘤顶部去除技术，图b介绍超声清洗、氧等离子体清洗等表面处理方法，图c展示多层介质光栅制造中的结构优化与加工策略。不同方法分别从缺陷几何、污染控制和微结构制造入手，改善薄膜的工作性能
图片来源：Xia J.等，Light: Advanced Manufacturing，2025，6：55，原论文图7
这些工作共同说明：提升薄膜的抗激光损伤能力，从来不是靠某一种材料或某一道工艺单打独斗，而要把光学设计、材料选择、精密制造和缺陷控制拧成一股绳。
除了消除缺陷，还能让材料本身更强吗？
如果说控缺陷是在“补齐短板”，材料创新就是在“做强内功”。传统高反膜一般由高、低折射率材料交替堆叠而成：高折射率材料利于提高反射率，但用在强激光场合，还得同时掂量它的光学带隙、吸收损耗、微观结构稳定性和抗损伤本领。
高反射率、低损耗、高损伤阈值——这三者往往此消彼长，如何同时拿下，是强激光薄膜材料设计中一道典型的多目标优化难题。
发展纳米复合薄膜材料，是解决这一问题的重要技术路线之一。
2021年，同济大学焦宏飞、钮信尚、张锦龙、马彬、程鑫彬、王占山等在Materials发表研究，利用离子辅助共蒸发制备了不同组成的Hf-Si-O纳米复合薄膜。研究发现，适当引入SiO₂能够抑制材料结晶，改善微观结构与表面平整度。在论文所采用的特定设备与测试条件下，研究人员用Hf₀.₇₀Si₀.₃₀O₂/SiO₂膜系制备了工作波长1064 nm的高反射镜，实现了15.1 ppm的光学损耗和67 J/cm²的激光诱导损伤阈值。
这里的ppm指百万分之一。对高性能光学薄膜而言，把损耗压到百万分之几到几十这个量级，工程意义十分可观。需要说明的是，光学损耗的口径随测量方法而变，损伤阈值也与波长、脉宽和测试方式紧密相关，因此不同论文里的数字不能脱离测试条件直接横比。这项工作的价值，不只在于拿到了一组漂亮的数字，更在于给出了一条材料设计思路：通过调配复合材料的组分与微观结构，去探索低损耗与高抗损伤“兼得”的可能。
当然，组分优化绝非“多多益善”，还得把热处理、内应力和制造工艺等一并纳入考量。
脉冲接踵而至，薄膜来得及恢复吗？
高功率激光光学元件面对的另一重考验，是如何在一波接一波的激光脉冲下始终保持稳定。
在真实系统里，元件要挨过成千上万发脉冲。第一发也许看着毫发无损，却已在材料里留下了能量沉积、温度升高和微观结构扰动；这些“余波”还没散尽，下一发已经到了。
2025年，同济大学潘俏菲、王可、韩佳岐、马彬在发表纳秒激光双脉冲损伤动力学研究。他们用“双脉冲—双探测”的实验设计，盯住两发脉冲间隔不同时，材料的损伤如何一步步演化、又如何慢慢弛豫。结果发现：在这套实验体系里，两发脉冲挨得近时，非线性效应对损伤演化起主导作用；一旦间隔拉大，热累积和能量弛豫又换上另一套规律。研究同时对比了熔融石英和高反射膜，提醒我们不同材料的弛豫时间各有长短，不能互相套用。
这组研究给我们提了个醒：评判一只光学元件可靠与否，不能只看它单次能扛多强的激光，还得追问它在时间长河里，怎样回应接踵而至的一波波脉冲。
从地面到太空，强激光薄膜还要面对更多考验
激光并非薄膜唯一的对手。当强激光走上太空——用于空间探测、星载激光通信等任务时，元件还要面对质子辐照、原子氧侵蚀和微小碎片撞击。这些环境因素会悄悄改写薄膜的微观结构、表面状态和吸收特性，最终连累它的抗激光损伤本领。
2024年，同济大学马彬、管爽等在发表研究，模拟近地空间的多种环境因素，系统考察了HfO₂/SiO₂三波段高反射膜及熔融石英基底的激光损伤行为。
图3 不同空间环境因素对高反射薄膜激光损伤阈值的影响。在这组单因素模拟实验中，未经环境作用的样品损伤阈值为141 J/cm2；经过质子、原子氧以及不同形式的模拟微碎片作用后，损伤阈值均出现不同程度的降低，其中模拟机械损伤的影响尤为显著。图中的压痕、穿孔和撞击坑代表不同的模拟作用方式。
图片来源：Ma B.等，High Power Laser Science and Engineering，2024，12：e47，原论文图4。
进一步的耦合实验显示，在三种空间环境因素共同作用下，受测高反膜的激光损伤阈值下降了约63%。当然，这一数字并不等于所有空间光学件都会同比例衰退；它真正提醒我们的是，评价强激光薄膜必须把它放回真实工作环境里去看。一面实验室里的“满分镜子”，只有经受住复杂环境的考验仍不掉链子，才算得上工程上真正可靠的元件。
从“看见损伤”到“理解损伤”：测量技术同样关键
研究薄膜抗损伤，绕不开一个最朴素的问题：我们怎么知道薄膜已经“受伤”了？
图4 同济大学研制的新一代激光损伤阈值测量系统光路示意图。该系统集成激光光源、光束调控、样品定位与显微观测等模块，能够按照不同测试模式开展光学元件损伤阈值测量，并为损伤机理研究提供实验手段
图片来源：同济大学精密光学工程技术研究所，2024年10月31日发布的《同济大学推出新一代激光损伤阈值测量仪》，原文图2
测量能力上了台阶，研究人员才敢追问更深的问题：薄膜为什么偏偏先在某一点“破防”？局部电场、吸收中心、材料结构，各自扮演了什么角色？在灾难性损伤到来之前，有没有哪些微观先兆可以提前被捕捉到？
真正的突破，往往藏在看不见的尺度里
高功率激光系统正在向更高功率、更高能量、更高重复频率一路狂奔，对光学薄膜的要求也水涨船高。未来的强激光薄膜，不仅要做到损耗极低、损伤阈值极高，还要扛得住复杂环境、经得起长期使用，并能在大口径条件下保持高度均匀。智能设计、新型复合膜料、微纳结构制造和高分辨率缺陷检测等新技术，正不断为这个领域打开新的想象空间。
如果说激光器决定了我们能“造出”多强的光，那么光学薄膜在很大程度上决定了我们能不能用得好、用得稳。它们薄到只有微米量级，却扛起了强激光系统里最关键的那一棒。让强光更强，让元件更可靠，让每一束光都按我们的意愿精准前行——这就是强激光薄膜人持续探索的方向，也是精密光学工程最动人的地方。
主要参考文献：
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1. 谢凌云，何涛，张锦龙，等. 节瘤缺陷平坦化提高高反射膜的激光损伤阈值.《强激光与粒子束》，2018，30：092001. DOI：10.11884/HPLPB201830.180067。
3. Xia J., Zhang J., Jiao H., et al. Research progress and prospects of laser coating technology. Light: Advanced Manufacturing, 2025, 6: 55. DOI：10.37188/lam.2025.055。
4. Pan Q., Wang K., Han J., Ma B. Damage dynamics and relaxation process of double pulses with nanosecond laser. Photonics Research, 2025, 13: 2246–2256. DOI：10.1364/PRJ.539648。
5. Ma B., Guan S., Yan D., et al. The influence of space environmental factors on the laser-induced damage thresholds in optical components. High Power Laser Science and Engineering, 2024, 12: e47. DOI：10.1017/hpl.2024.28。
