激光是最強的人造光，其能量足以在地球上制造“人造太陽”。你可能不知道，點亮“人造太陽”離不開一種看似不起眼甚至頗為脆弱的材料——高功率激光薄膜。

薄如蟬翼的“血管”

高功率激光薄膜薄如蟬翼，它附著在透明的玻璃基底上，肉眼幾乎看不出來，但是它就像人體的血管一樣重要。有了它，科學家才能讓只知道直線前行的激光乖乖“聽話”，完全按照人類的意愿，有次序地奔赴同一靶點。

在激光聚變、超強超短激光等裝置中，有成千上萬件不同口徑的薄膜元件。這些元件不但要抵擋住“所向無敵”的高能激光的沖擊，保障高功率激光裝置不會“自傷”，還要高效地“指揮”激光向靶點前進，引導激光束在裝置中傳輸。可以說，一旦離開高性能的激光薄膜，這些裝置將寸步難行。

隨著激光裝置的功率不斷上升，科學家對薄膜的性能要求越來越高。薄膜要足夠強韌，才能承受激光的沖擊——就像人體的血管，如果不夠強韌，很容易因承受不住過高的血壓而破裂。但是，高性能激光薄膜很容易“受傷”，因為激光能量的高度集中會導致元件內(nèi)部或表面局部變形甚至完全被損壞。

元件在單位面積上所能承受的最大激光功率被稱作“激光損傷閾值”。它代表薄膜元件“控制指揮”激光的能力，其數(shù)值決定了薄膜元件能不能把激光能量完整地“護送”到靶點。它是衡量激光薄膜元件性能的一項“金指標”。

半世紀接力奮斗

作為保證激光在高功率激光系統(tǒng)中按設計要求傳輸?shù)年P鍵器件之一，激光薄膜元件在慣性約束聚變激光、超強超短激光、空間激光等領域有廣泛而重要的用途，其品質在很大程度上決定了激光系統(tǒng)運行的負荷強度、可靠性和光束的質量。然而，很長一段時間里，我國高性能、大尺寸激光薄膜元件制備技術遠遠落后于國際先進水平;同時，西方國家長期以來對我國實施嚴密的技術封鎖和產(chǎn)品禁運。相關技術成為許多國防戰(zhàn)略和國民經(jīng)濟高新技術領域發(fā)展的主要瓶頸之一。為了突破這一難關，中國科學院上海光學精密機械研究所(以下簡稱“上海光機所”)的科研人員接力奮斗了半個多世紀。

1964年，上海光機所建所，薄膜光學實驗室同步成立，成為中國第一支專業(yè)從事激光薄膜研究的團隊。半個多世紀以來，四代科研人員攻堅克難，緊緊聚焦大能量與高功率激光這個國家重大戰(zhàn)略需求，提出并逐步完善了激光薄膜研制全流程控制的系統(tǒng)工程解決方案，攻克了系列關鍵技術難題，成功建立了應用基礎研究、關鍵技術攻關與工程應用的自主創(chuàng)新生態(tài)鏈，取得了具有自主知識產(chǎn)權的重大創(chuàng)新成果。

高性能激光薄膜的制備是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及多個交叉學科。研究人員既要考慮薄膜設計與制備，也要關注原材料和元件的檢測，以及激光與薄膜態(tài)材料的相互作用。經(jīng)過抽絲剝繭般的梳理，團隊終于確定了“重中之重”——如何找到并消除薄膜中的缺陷。這談何容易，因為要在直徑近1米的薄膜元件中找出微米級的缺陷，其難度就好比在一座大型城市中精確尋找到一顆隨機放置的沙粒。

經(jīng)過不懈的探索，團隊發(fā)明了薄膜光熱吸收測試裝置和方法，實現(xiàn)了缺陷3D分布的快速探測，得出了損傷點多起源于基底-膜層界面的結論。在此基礎上，團隊提出了激光“預植”缺陷技術，揭示了基底-膜層缺陷的耦合機制。

他們從各工序最大限度地抑制缺陷源，開發(fā)了新型“無界面”多層膜沉積技術，通過雙源共蒸實現(xiàn)兩種鍍膜材料交替界面的連續(xù)過渡，有效解決了界面缺陷密度高、結合力差、存在駐波場和應力突變的問題。

團隊意識到，完美的“零缺陷”大口徑基片是不存在的。為此他們創(chuàng)新性地提出結構性缺陷“縫合”技術，使得結構性缺陷處損傷閾值接近無缺陷膜層。

不斷挑戰(zhàn)新高度

有了足夠強韌的薄膜，激光裝置功率才可能沖擊新高度。上海光機所薄膜光學實驗室作為唯一供貨單位，為我國神光系列聚變點火裝置提供了所有偏振薄膜元件。神光裝置幾度升級，對薄膜的要求不斷提升，這支團隊始終能研制出保障裝置運行的激光薄膜，有力地支撐了我國下一代激光聚變點火裝置的研制。

他們的成果支撐上海超強超短激光裝置實現(xiàn)了10拍瓦國際最高激光放大輸出功率，使我國在該領域占據(jù)國際制高點。該團隊還將繼續(xù)支撐100拍瓦裝置的建設。據(jù)悉，神光裝置需要薄膜能夠承受納秒級的激光沖擊，而百拍瓦超強超短激光裝置則對薄膜提出了飛秒級的更高要求。團隊成員滿懷信心，迎接又一次挑戰(zhàn)。

此外，他們研制的激光薄膜元件還成功應用于神舟與天宮交會對接系統(tǒng)和多項空間型號工程任務，簡化了光路結構，降低了載荷……

從跟跑到超越

上海光機所薄膜光學實驗室的“大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制備工藝技術及應用”項目獲得2018年度國家技術發(fā)明獎二等獎。

2019年，在競爭激烈的基頻激光反射薄膜損傷閾值國際競賽中，上海光機所薄膜光學實驗室研制的激光反射薄膜脫穎而出，以領先第二名65%的絕對優(yōu)勢勇奪世界第一。

該競賽由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發(fā)起，代表光學材料激光損傷研究領域的國際最高水平。上海光機所參加了8次，與前幾次相比，此次他們的優(yōu)勢更加明顯。這表明，中國能生產(chǎn)出世界上最強韌的激光薄膜。在國際范圍內(nèi)的激光薄膜損傷閾值提升競爭中，中國從跟跑、并跑，最終實現(xiàn)了超越。

更令人自豪的是，這是一支完全由中國自主培養(yǎng)的團隊，團隊里沒有一位獲得海外學位的成員。為了將脆弱的激光薄膜打造成強韌的“血管”，團隊的幾代成員鍥而不舍，忘我追求。他們在激光損傷與反激光的“矛”與“盾”的較量中，堅定執(zhí)著地追求“打不壞”的激光薄膜。這支看似普普通通的團隊，敢為人先，銳意進取，才逐步斬獲并保持世界第一，實現(xiàn)了我國高功率激光薄膜技術的跨越發(fā)展。