庄秋慧1*和王三强2的研究团队在《激光与光电子学进展》（Laser & Optoelectronics Progress）2021年10月第58卷第19期发表了一项关于全固态355 nm紫外激光器三波长高反膜（three-wavelength high-reflectivity film）的原创性研究。庄秋慧来自重庆理工大学机械工程学院，王三强任职于国网重庆市电力公司营销服务中心。该研究聚焦于光学薄膜领域，旨在解决全固态355 nm紫外激光器中反射镜镀膜的关键技术问题，通过优化薄膜制备工艺提升激光损伤阈值（Laser Induced Damage Threshold, LIDT），以满足高功率激光系统对光学元件稳定性的需求。

学术背景

全固态355 nm紫外激光器因其体积小、寿命长、光束质量好等优势，逐渐取代传统准分子激光器，成为工业加工、医疗和科研领域的重要工具。反射镜作为激光谐振腔的核心元件，其镀膜性能直接影响激光输出功率和系统寿命。研究团队针对三波长高反膜（覆盖355 nm、532 nm和1064 nm）的制备难点——包括膜层厚度大（8.58 μm）、吸收损耗控制复杂、内应力易导致损伤阈值下降等问题，提出采用离子束辅助电子束（Ion Beam Assisted Electron Beam, IBAE）成膜技术，结合材料选择和工艺优化，实现高反射率与高抗损伤性能的统一。

研究流程

1. 膜系设计
   研究基于周期性多层膜结构（HL）^x和（H2L）^y，通过叠加三个反射堆（中心波长分别为355 nm、532 nm和1064 nm），设计出总层数86层的膜系结构。高折射率材料选用ZrO₂，低折射率材料为SiO₂，利用两者高折射率差减少膜层数。通过调整比例系数，最终确定膜系为Sub/(HL)₁₄(0.48H0.48L)₁₄(0.32H0.32L)₁₄H/Air，理论反射率在三个波长处均超过99.9%（图1）。

2. 薄膜制备
   在日本光驰OTFC1300型镀膜机上，采用IBAE技术沉积薄膜。关键工艺参数包括：ZrO₂沉积速率0.3 nm/s，SiO₂沉积速率0.8 nm/s，离子束轰击增强膜层致密性。为减少内应力，样品在250℃退火3小时。研究设置两组实验：第Ⅰ组考察基底材料（石英与K9玻璃）和清洗工艺（酸浸泡 vs. 去离子水超声清洗）对LIDT的影响；第Ⅱ组固定其他条件，测试工作真空度（7×10⁻³ Pa至3×10⁻² Pa）对弱吸收和LIDT的作用。

3. 性能测试

   • 光谱特性：使用Lambda 950分光光度计测试反射率，结果显示实测反射率R₃₅₅=R₅₃₂=R₁₀₆₄=99.6%，满足设计指标（>99.5%）。
     
   • 激光损伤阈值：采用1-on-1测试法（ISO 11254-1.1标准），激光波长1064 nm，脉宽13 ns，测试100个点绘制损伤几率曲线。第Ⅰ组中，石英与K9基底样品的LIDT相近（约13 J/cm²），但超声清洗工艺使LIDT提升10%-15%（图3）。第Ⅱ组显示，当真空度从7×10⁻³ Pa升至2×10⁻² Pa时，LIDT由9.8 J/cm²增至13.5 J/cm²；继续提高真空度至3×10⁻² Pa，LIDT反降至10.7 J/cm²（图6）。弱吸收值随真空度增加而降低（图5），但LIDT与弱吸收的关联性在2×10⁻² Pa时出现拐点，表明存在最佳工艺窗口。

4. 损伤形貌分析
   显微镜观察显示，所有样品损伤斑均呈熔融状，中心存在微小吸收点（图4），表明缺陷吸收是损伤主因。基底-膜层界面为薄弱环节，易因能量累积导致膜层脱落。

主要结果与逻辑链条

• 膜系设计通过多反射堆叠加实现宽波段高反射，理论模拟与实测数据高度吻合。
  
• 基底材料对LIDT影响不显著，但超声清洗可减少基底表面缺陷，间接提升薄膜抗损伤能力。
  
• 工作真空度通过调控薄膜氧化程度影响弱吸收，但LIDT的峰值出现在2×10⁻² Pa，揭示氧化充分性与膜层应力平衡的临界点。
  

结论与价值

该研究成功制备出满足全固态355 nm激光器要求的三波长高反膜，反射率>99.5%，最优工艺下LIDT达13.5 J/cm²。科学价值在于阐明了弱吸收与LIDT的非线性关系，提出了真空度优化的工艺标准；应用价值体现在为高功率紫外激光器的反射镜设计提供了可靠技术方案，有望提升激光器寿命和输出稳定性。

研究亮点

1. 创新方法：首次将IBAE技术应用于三波长高反膜制备，结合离子束轰击与退火工艺，显著降低膜层缺陷。
   
2. 发现拐点效应：揭示LIDT与工作真空度的非单调关系，为类似薄膜工艺提供优化依据。
   
3. 跨波长性能：单膜系同时满足紫外-近红外三波段高反射需求，简化了激光器光学系统设计。
   

其他价值

研究还指出，膜层厚度超过8 μm时，基底清洗工艺对缺陷的放大效应需特别关注，这对超厚光学薄膜的工业化生产具有指导意义。