获国家技术发明奖二等奖！这种薄膜技术到底牛在哪儿？

作者： 上海光机所

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

高性能激光薄膜元件制备技术是惯性约束聚变激光、超强超短激光、空间激光等国防战略和国民经济高新技术领域发展的关键。例如，惯性约束聚变激光装置需要数万件高性能薄膜元件来精密操控激光传输。

大尺寸偏振薄膜元件是唯一同时具备高透射和高反射功能的元件，被认为是惯性约束聚变激光装置中尺寸最大、膜层最厚、研制难度最高的薄膜元件。它与普克尔盒组成的光开关被誉为美国国家点火装置七大奇迹之一。

大尺寸偏振薄膜元件将高能激光分为高透P光和高反S光，起到四程放大和抑制寄生振荡的作用。从种子源出发，多束毫焦耳级的光束经前级放大器后，能量提升到焦耳量级。每束激光（S态）经过由大尺寸偏振薄膜元件和普克尔盒组成的光开关导入放大腔内，形成的P态光驻留腔内多次放大，在此过程中大尺寸偏振薄膜元件能够有效保持偏振态（P态）实现激光能量有效放大。四程放大结束后，激光经上述光开关转换为S态光并导出。该大能量激光经空间滤波器传输至靶场，最终多束激光在相同时间内以相同功率击中靶丸，完成激光聚变实验。

美国对我国禁运尺寸大于500mm的高性能薄膜元件。中国科学院上海光学精密机械研究所以满足国家重大需求为己任，经过多年攻关，成为全球首家掌握从加工到镀膜全工艺流程技术的研发机构，打破了西方的技术封锁和高端产品禁运。

大尺寸偏振薄膜元件的研制包括基片加工、镀膜和激光预处理三大工序。

基片加工主要包括铣磨成型、粗抛、环形抛光、磁流变抛光等。项目组自主研发了保形光顺技术，使基板全频段误差满足要求。

基片加工完成后进入镀膜环节。镀膜主要包括基片筛选、基片清洗、薄膜制备等。偏振薄膜元件的消光比、波面质量及损伤阈值等性能均与该工序密切相关。高消光比是确保激光装置安全运行的关键因素。实现高消光比需纳米精度膜厚监控技术的支撑。项目组发明了膜厚类分形光学监控技术，将控制精度提升一个量级，满足了光谱性能所需的监控精度和稳定性。应力导致的大尺寸偏振薄膜元件膜层龟裂问题是一项国际性难题，项目组发明了敏感层应力调控技术，精确操控了膜层应力演变进程，攻克了膜层龟裂的技术难题。缺陷是薄膜元件激光损伤的根源。项目组揭示了偏振薄膜元件激光损伤的机制，研发了基板缺陷缝合修复技术，创新研制出渐变界面沉积技术，有效降低了膜层缺陷密度。

薄膜制备完成后进入激光预处理环节。激光预处理通过小光斑激光扫描全口径偏振薄膜元件，去除薄膜制备过程中引入的不可避免存在的微米尺寸缺陷，并采用微区修复的方式将缺陷导致的损伤点控制在一定范围内，从而保障偏振薄膜元件在高通量激光下安全运行。

由中国科学院上海光学精密机械研究所研制的激光偏振薄膜元件在2012年激光损伤阈值国际竞赛中取得了最好成绩，研制的激光反射薄膜元件在2018年的竞赛中以比第二名高出20%的绝对优势再次取得第一名的佳绩。此外，上海光机所“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制备工艺技术及应用”项目荣获了2017年度上海市技术发明奖一等奖及2018年度国家技术发明奖二等奖。目前，大尺寸高性能偏振薄膜元件已成功应用在我国神光大型激光装置中。

大尺寸高性能偏振薄膜元件的成功研制，为我国在激光聚变研究、超强超短激光技术、空间激光等领域始终保持国际先进或领先水平提供了有力保障。