獲國家技術發明獎二等獎！這種薄膜技術牛在哪兒？

文章來自“科學大院”公眾號

作者：上海光機所

上期“追光逐夢”專欄中，我們向大家呈現了有關分布式光纖傳感技術的科研成果--“有一種光學技術，鐵路安全居然也少不了它”。接下來將繼續呈現全新的國際前沿的重大科研成果，一起領略我國光學薄膜的無限風光。

高性能雷射薄膜元件製備技術是慣性約束聚變雷射、超強超短雷射、空間雷射等國防戰略和國民經濟高新技術領域發展的關鍵。例如，慣性約束聚變雷射裝置需要數萬件高性能薄膜元件來精密操控雷射傳輸。

大尺寸偏振薄膜元件是唯一同時具備高透射和高反射功能的元件，被認為是慣性約束聚變雷射裝置中尺寸最大、膜層最厚、研製難度最高的薄膜元件。它與普克爾盒組成的光開關被譽為美國國家點火裝置七大奇跡之一。

大尺寸偏振薄膜元件將高能雷射分為高透P光和高反S光，起到四程放大和抑製寄生振蕩的作用。從種子源出發，多束毫焦耳級的光束經前級放大器後，能量提升到焦耳量級。每束雷射（S態）經過由大尺寸偏振薄膜元件和普克爾盒組成的光開關導入放大腔內，形成的P態光駐留腔內多次放大，在此過程中大尺寸偏振薄膜元件能夠有效保持偏振態（P態）實現雷射能量有效放大。四程放大結束後，雷射經上述光開關轉換為S態光並導出。該大能量雷射經空間濾波器傳輸至靶場，最終多束雷射在相同時間內以相同功率擊中靶丸，完成雷射聚變實驗。

美國對我國禁運尺寸大於500mm的高性能薄膜元件。中國科學院上海光學精密機械研究所以滿足國家重大需求為己任，經過多年突破，成為全球首家掌握從加工到鍍膜全工藝流程技術的研發機構，打破了西方的技術封鎖和高端產品禁運。

大尺寸偏振薄膜元件的研製包括基片加工、鍍膜和雷射預處理三大工序。

基片加工主要包括銑磨成型、粗拋、環形拋光、磁流變拋光等。項目組自主研發了保形光順技術，使基板全頻段誤差滿足要求。

基片加工完成後進入鍍膜環節。鍍膜主要包括基片篩選、基片清洗、薄膜製備等。偏振薄膜元件的消光比、波面質量及損傷閾值等性能均與該工序密切相關。高消光比是確保雷射裝置安全運行的關鍵因素。實現高消光比需納米精度膜厚監控技術的支撐。項目組發明了膜厚類分形光學監控技術，將控制精度提升一個量級，滿足了光譜性能所需的監控精度和穩定性。應力導致的大尺寸偏振薄膜元件膜層龜裂問題是一項國際性難題，項目組發明了敏感層應力調控技術，精確操控了膜層應力演變進程，攻克了膜層龜裂的技術難題。缺陷是薄膜元件雷射損傷的根源。項目組揭示了偏振薄膜元件雷射損傷的機制，研發了基板缺陷縫合修複技術，創新研製出漸變界面沉積技術，有效降低了膜層缺陷密度。

薄膜製備完成後進入雷射預處理環節。雷射預處理通過小光斑雷射掃描全口徑偏振薄膜元件，去除薄膜製備過程中引入的不可避免存在的微米尺寸缺陷，並採用微區修複的方式將缺陷導致的損傷點控制在一定範圍內，從而保障偏振薄膜元件在高通量雷射下安全運行。

由中國科學院上海光學精密機械研究所研製的雷射偏振薄膜元件在2012年雷射損傷閾值國際競賽中取得了最好成績，研製的雷射反射薄膜元件在2018年的競賽中以比第二名高出20%的絕對優勢再次取得第一名的佳績。此外，上海光機所“大尺寸高性能雷射偏振薄膜元件成套製備工藝技術及應用”項目榮獲了2017年度上海市技術發明獎一等獎及2018年度國家技術發明獎二等獎。目前，大尺寸高性能偏振薄膜元件已成功應用在我國神光大型雷射裝置中。

大尺寸高性能偏振薄膜元件的成功研製，為我國在雷射聚變研究、超強超短雷射技術、空間雷射等領域始終保持國際先進或領先水準提供了有力保障。

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（未完待續）

下集預告：真空是空的嗎？

作者部門：中國科學院上海光學精密機械研究所

鳴謝：中國科學院科學傳播局、上海市科學技術委員會、上海市科學技術協會、上海市嘉定區科學技術委員會

專欄介紹：

光學，物理學的重要分支，僅21世紀以來，就有六次諾貝爾物理學獎與光學有關，比如2018年的諾獎就頒給了光鑷和雷射放大技術。

“高冷”的諾獎很精彩，身邊中的光學一樣大有學問哦：微波爐、手機、汽車……都離不開光學相助！

科學大院聯合中科院上海光機所推出“追光逐夢”系列專欄，不僅帶您一起探索身邊的科學，還會帶您走入高精尖的前沿光學科技殿堂！

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