近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）对外宣布，其高功率激光元件技术与工程部薄膜光学研发中心研究团队在中红外激光薄膜元件损伤机理研究领域取得突破性进展。该成果聚焦于2.1 μm波段纳秒激光辐照条件下中红外光学薄膜的损伤行为，系统揭示了不同薄膜结构的损伤机制与形貌特征，为提升高功率中红外激光系统的稳定性和输出能力提供了关键理论支撑。
相关研究成果以《Damage Mechanisms of Mid-infrared Coating Components Induced by 2.1 μm Nanosecond Laser Pulses》为题，已正式发表于国际权威光学期刊《Optics and Laser Technology》。
高功率中红外激光发展面临“薄膜瓶颈”
中红外激光（波长范围通常为2–20 μm）因其在大气窗口波段的强穿透性、对多种分子特征吸收谱线的匹配性，在环境监测、空间光通信、生物医学诊疗、非线性频率转换以及先进材料加工等领域展现出不可替代的应用潜力。其中，2.1 μm波段激光不仅位于重要的大气传输窗口，还可作为泵浦源用于实现3–5 μm中长波红外激光输出，是构建高能中红外激光系统的核心光源之一。
然而，随着激光功率的不断提升，光学元件，尤其是表面镀制的中红外增透膜、分光膜等薄膜元件，成为整个激光系统中最易发生损伤的薄弱环节。一旦薄膜在高能激光辐照下出现损伤，不仅会导致光束质量下降、系统效率降低，严重时甚至引发连锁性破坏，威胁系统安全运行。因此，深入理解中红外薄膜在高功率激光作用下的损伤机理，识别关键缺陷类型及其演化过程，成为突破高功率中红外激光技术发展瓶颈的关键科学问题。
系统揭示2.1 μm激光下薄膜损伤机制
针对上述挑战，上海光机所研究团队选取2.1 μm纳秒脉冲激光作为研究对象，系统开展了中红外增透膜（HT）和分光膜（PT）元件的激光损伤实验与机理分析。研究发现，在该波段激光辐照下，中红外薄膜的损伤过程呈现出显著的热主导特征，即吸收激光能量后局部温度急剧升高，引发材料熔融、汽化或热应力破裂。
研究团队对比分析了单波段增透膜（SHT）与多波段增透膜（MHT）的损伤行为。结果显示，SHT元件的损伤起源于基底表面存在的纳米级吸收性缺陷，这些缺陷在激光作用下迅速升温，导致周围材料烧蚀，形成典型的“平底坑”损伤形貌，坑底中心常伴有微小的光滑凹陷，表明存在局部熔融回流现象。
更为重要的是，团队发现基底材料的热学性质对薄膜损伤阈值具有决定性影响。在熔石英和氟化钙两种不同基底上制备的多波段增透膜，由于二者热膨胀系数差异显著，表现出截然不同的抗损伤能力：熔石英基底MHT的激光损伤阈值高达10.2 J/cm²，而氟化钙基底MHT仅为3.7 J/cm²。这一结果凸显了基底-薄膜热匹配在高功率光学元件设计中的关键作用。
此外，研究还揭示了分光膜元件的复杂损伤模式。其不同膜面因缺陷类型不同而呈现差异化的初始损伤形貌：含有纳米吸收性缺陷的膜面形成“漏斗状”烧蚀坑，而存在节瘤缺陷（即膜层中因颗粒污染形成的凸起结构）的区域则在激光作用下产生“圆顶状”鼓包，表明节瘤缺陷可能引发局部应力集中和热积累。
成果意义重大，助力中红外激光应用拓展
本项研究首次系统阐明了2.1 μm纳秒激光下中红外薄膜元件的多类型损伤机制，明确了吸收性缺陷、节瘤缺陷及基底热性能在损伤过程中的主导作用，为后续优化薄膜制备工艺、筛选高抗损伤基底材料、设计新型抗损伤膜系结构提供了坚实的理论依据和实验数据支持。
该成果不仅有助于提升中红外光学元件的激光损伤阈值，增强高功率激光系统的鲁棒性与寿命，更将直接推动3–5 μm非线性频率转换激光系统的实用化进程，为高光谱成像、远程大气成分探测、非金属材料精密加工等前沿应用领域提供更稳定、更高功率的光源保障。
据悉，该项目得到了上海市科委“探索者”计划、中国科学院国际合作重点项目、山东大学晶体材料国家重点实验室及中科院特别交流计划等多项资助，体现了多单位协同攻关在关键核心技术突破中的重要作用。
未来，上海光机所研究团队将继续深化中红外激光与材料相互作用的基础研究，致力于开发新一代高损伤阈值中红外光学薄膜技术，为我国高端激光装备的自主可控和产业升级提供核心支撑。
