激光薄膜背后：一位女科學家的“追光”之路

在浦江之畔，有一群以智慧為犁、以堅韌為種的女性。她們于實驗室微光里攻堅克難，在科研探索征途上步履不停。

《科學畫報》攜手上海市女科技工作者協會，聯袂打造“浦江慧見”專欄。在這里，我們解讀硬核科研成果背后的柔韌力量，聆聽她們與科學相伴的故事，看見這片科創沃土上的巾幗華章。

本期科學家

朱美萍

中國科學院上海光學精密機械研究所研究員

文|任咪咪《科學畫報》特約記者

當我們佩戴眼鏡觀賞窗外景致，使用相機記錄生活的美好瞬間，抑或沉浸于高清顯示屏呈現的視覺體驗時，鮮少意識到，這些日常物品都與一種關鍵材料密不可分，它就是光學薄膜。作為透明的功能層，光學薄膜能有效提升光學元件的性能，讓景物色彩更加鮮明，使清晰的影像近在眼前。在高精尖的科研領域，光學薄膜更是推動激光技術發展的核心要素。

01.

光學薄膜：無處不在的“隱形衛士”

光學薄膜在我們的日常生活中隨處可見，它通常由兩種（或多種）材料交替沉積在光學玻璃基板表面制備而成。通過精確設計各膜層的折射率、厚度及吸收特性，光學薄膜可以有效調控光的反射、透射、吸收和偏振等特性。根據不同的光譜性能要求，光學薄膜可分為多種類型，包括減反射膜（也稱增透膜）、高反射膜、分光膜及濾光片等。

增透膜是最常用的光學薄膜之一，它利用干涉相消效應，有效降低光學玻璃基板表面的反射率。我們在眼鏡、相機鏡頭和顯示屏上都能看到增透膜的身影，它常與其他功能膜層組合使用，為光學設備帶來了更好的性能表現。例如，眼鏡表面的增透膜可將眼鏡片單個表面的反射率從約4%降低至1%以下，從而提高眼鏡片在可見光波段的透射率，讓佩戴者獲得更清晰的視野。通過選用具有紫外吸收特性的鍍膜材料或者加鍍UV防護膜層，眼鏡表面的光學薄膜還能阻擋紫外線，保護眼睛免受傷害。相機鏡頭表面的光學薄膜不僅能抑制表面反射、提升成像質量，還需具備耐刮擦性能，以延長鏡頭使用壽命。顯示屏表面的光學薄膜能夠增強顯示屏的對比度與色彩表現力，同時降低外界光線的干擾，讓屏幕在不同環境下均可保持良好的顯示效果。

此外，光學薄膜還可用于光波引導、光開關、激光裝備和集成電路等領域。它們宛如隱形的衛士，悄然提升著各類光學設備的性能。

02.

激光薄膜：高精尖的光學“神器”

激光薄膜是指應用于激光系統的一種特殊光學薄膜，用于高效地控制和傳輸激光能量。激光薄膜元件是激光聚變驅動裝置、超強超短激光裝置、高端激光裝備中的核心元件，其性能直接影響激光裝置的光束質量和輸出功率。激光裝置對激光薄膜元件的主要性能要求包括3個方面：特定的光譜性能和良好的厚度均勻性，以滿足傳輸需求并降低傳輸損耗；低膜層應力，以最小化波前畸變；高激光損傷閾值，以最小化光束尺寸。其中，激光損傷閾值是指激光薄膜在單位面積上所能承受的最大激光功率，是激光薄膜元件的核心技術指標。從科學意義上說，薄膜元件的激光損傷閾值越高，在高功率條件下的使用壽命就越長。從經濟意義上說，薄膜元件的激光損傷閾值足夠高，激光束的口徑才有可能做得足夠小，從而才能降低高功率激光裝置的建造成本。

用于激光聚變驅動裝置等大型高功率激光裝置的大尺寸激光薄膜元件，常采用電子束蒸發技術在高真空條件下制備而成。電子束蒸發的原理是：當金屬處于高溫狀態時，其內部的一部分電子因獲得足夠的能量而逸出表面。高速運動的電子流在一定的電磁場作用下，匯聚成細束并轟擊鍍膜材料表面，動能轉化為熱能使鍍膜材料蒸發，鍍膜材料分子或原子到達光學玻璃基底表面并附著，形成薄膜。交替蒸發不同的薄膜材料，便可以形成具有各種性能的薄膜。

03.

激光薄膜的探索與突破

中國科學院上海光學精密機械研究所朱美萍研究員及其團隊長期深耕激光薄膜技術，對激光薄膜的材料、設計、制備和損傷機理進行深入探究，不僅攻克了多項核心技術難題，更為未來光學與激光技術的發展開辟了新可能。

為了提升激光薄膜元件的激光損傷閾值，朱美萍團隊持續探索新型鍍膜材料與制備方法。例如，利用電子束雙源共蒸發技術和納米疊層技術，團隊開發了多種復合薄膜態材料，獲得了折射率和光學帶隙在一定范圍內可調的新材料，為高綜合性能激光薄膜的設計增加了自由度。針對基底（亞）表面缺陷，團隊創新利用飛秒激光加工技術，定量化研究了基底坑點尺寸對薄膜激光損傷閾值的影響，并發明了基底表面結構性缺陷的縫合修復方法。針對膜層界面缺陷，團隊借助電容-電壓表征技術，揭示了多層膜界面缺陷的不對稱特性，并提出了基于超薄氧化硅材料的界面缺陷抑制方法。針對雜質顆粒引起的節瘤缺陷，團隊發明了缺陷拋光修復方法，避免了節瘤球冠引起的局部電場增強。這些工作顯著提升了激光損傷閾值。

在研究的過程中，團隊還攻克了膜層龜裂和納米精度控制等核心技術，為大型高功率激光裝置的建設與穩定運行提供了強有力的技術基礎和元件支撐。大尺寸高性能激光薄膜元件制備技術被推廣應用于中小尺寸激光薄膜元件，研制的薄膜元件批量應用于聚變激光、超強超短激光、高端激光裝備、激光加工與激光醫療等領域。

光學薄膜在我們的生活中扮演著重要的角色。科學家通過不斷地研究和探索，克服了光學薄膜的諸多技術難題，為相關領域的發展和應用提供了有力支持。未來，隨著技術的不斷進步，光學薄膜將在更多領域發揮更大的作用。

*本文刊登于《科學畫報》2026年第1期，更多相關內容歡迎訂閱。

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