上海光学精密机械研究所----上海光机所在高能皮秒拍瓦激光终端光学元件损伤机理及阈值提升方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第七百六十五期)

2026年4月13日

上海光机所在高能皮秒拍瓦激光终端光学元件损伤机理及阈值提升方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部与中国科学技术大学、上海理工大学及中国工程物理研究院激光聚变研究中心合作，在高能拍瓦激光终端用脉冲压缩光栅及传输反射镜的皮秒损伤机理和阈值提升研究方面取得新进展。相关研究成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces和Optics & Laser Technology。

终端脉冲压缩光栅与传输反射镜的皮秒激光损伤性能，是限制高能皮秒拍瓦激光系统输出的关键瓶颈。目前有关光栅在镀膜、刻蚀、清洗等工艺环节引入的缺陷对其损伤特性和机理的影响仍缺乏工艺全链路的系统研究与规律总结，对传输反射镜中典型缺陷在不同激光偏振状态下的皮秒损伤行为也尚未得到清晰阐明，这导致工艺优化缺乏明确的指导依据。

研究团队针对皮秒激光损伤测试中靶面光斑尺寸难以准确表征难题，提出了基于铝膜烧蚀轮廓的靶面光斑原位验证方法，通过系统分析铝膜厚度、激光入射角及真空环境对靶面光斑面积测量的影响，实现了真空与斜入射测试条件下靶面光斑的精细化测量，为皮秒激光损伤阈值的准确定量评估提供可靠支撑。相关成果发表于Optics & Laser Technology 192, 113793(2025).

对于脉冲压缩光栅，揭示了反应离子刻蚀过程对光栅损伤性能的影响机制，发现含氟气体的高能离子束刻蚀工艺会导致氟污染物向光栅顶层膜内渗透，形成深度可达数百纳米的前驱体缺陷。通过优化刻蚀工艺减少氟污染的引入，使光栅膜及对应光栅的皮秒（~10ps）损伤阈值分别提升了26%与33%。相关成果发表于ACS Appl. Mater. Interfaces, 17 (9), 14716-14725, (2025).

图1（a）不同刻蚀工艺制备光栅及光栅膜样品的示意图；（b）不同刻蚀工艺制备的光栅损伤阈值，（c）对应光栅膜的氟离子深度剖析结果及（d）损伤阈值对比。

在此基础上，系统分析了不同工艺环节对光栅皮秒损伤阈值的影响规律，基于全流程协同优化策略，实现光栅皮秒损伤阈值提升至接近当前介质膜阈值水平所容许的理论值。发表于Optics & Laser Technology, 192, 114108(2025)。

图2 （a）介质膜光栅工艺优化路径示意图；不同工艺光栅的（b）皮秒损伤阈值及（c）其与当前光栅膜阈值水平下的理论阈值差异

针对传输反射镜在不同偏振皮秒激光下的损伤研究表明，P偏振损伤阈值低于S偏振。吸收性前驱体是限制损伤阈值的主要因素，偏振态通过调控电场在前驱体内部的穿透深度与局域能量沉积，影响其温升过程。P偏振下能量沉积更集中、温升更高，因而阈值更低。对于偶发节瘤缺陷，其损伤位置随偏振态变化而发生改变。相关成果发表于Optics & Laser Technology 193, 114370(2026)。