高功率中红外激光系统中光学镀层损伤机制研究：热效应与界面应力失配的关键作用

针对高功率中红外(MIR)激光系统中光学镀层易损伤的瓶颈问题，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室团队系统研究了2.1 μm激光照射下高透射(HT)和部分透射(PT)镀层的损伤机制。发现热效应主导的熔融、等离子体烧蚀及CaF2基底热膨胀系数(CTE)引发的界面应力失配是主要诱因，为提升MIR光学元件损伤阈值(LIDT)提供了关键理论依据。

　　

在激光技术领域，中红外波段（MIR，2-20 μm）因其独特的分子指纹识别能力和大气穿透性，已成为环境监测、医疗手术和国防技术的核心工具。然而，高功率MIR激光的发展长期受限于光学镀层的低损伤阈值——这些负责调控光束的关键元件，往往在强激光照射下出现不可逆损伤，成为制约激光系统功率提升的"阿喀琉斯之踵"。更棘手的是，现有研究多聚焦近红外波段（如1064 nm），对MIR激光真实工况下的损伤机制认知严重不足。

针对这一挑战，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室的Jiansheng He等研究人员开展了一项开创性研究。他们选取高功率MOPA（主振荡功率放大）系统中三种关键光学元件——1.9-2.1 μm高透射（HT）镀层、2.1 μm部分透射（PT）镀层以及1.9-2.2&3.5-4.8 μm多波段HT镀层，在2.1 μm纳秒激光照射下系统揭示了其损伤机制。这项发表于《Optics》的研究发现，热效应是损伤的核心驱动力，但不同镀层表现出独特的失效模式：PT镀层的穹顶状凸起与HT镀层的漏斗状凹坑分别源于结节缺陷和纳米吸收体；而CaF₂基底镀层因高热膨胀系数引发的界面应力失配，其损伤阈值（3.7 J/cm²）显著低于熔融石英基底镀层（10.2 J/cm²）。

研究团队采用电子束蒸发技术制备镀层，通过扫描电镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）三维重构解析损伤形貌，结合有限元模拟分析热力学过程。关键实验技术包括：1）基于ISO标准的激光损伤阈值测试系统；2）Zeiss Auriga场发射扫描电镜的纳米级形貌表征；3）Thermo Scientific能谱仪（EDS）的成分映射。

【Coating deposition】
采用SiO₂/Ta₂O₅材料体系，通过电子束蒸发在熔融石英和CaF₂基底上沉积镀层。材料选择基于其高熔点、宽禁带和成熟的工艺兼容性。

【The estimated results of LIDTs】
损伤阈值测试显示：单波段HT镀层（SHT@JGS1）为3.3 J/cm²，PT镀层的透射面（PT@JGS1-S1）和反射面（PT@JGS1-S2）分别为4.2 J/cm²和2.7 J/cm²，多波段HT镀层在熔融石英（MHT@JGS1）和CaF₂基底（MHT@CaF₂）上差异显著（10.2 vs 3.7 J/cm²）。

【Damage morphologies】
SEM分析揭示：HT镀层损伤以熔融形成的平底坑和等离子体烧蚀的漏斗状坑为特征；PT镀层透射面因结节缺陷产生穹顶状凸起，反射面则因纳米吸收体形成喷发状结构。FIB切片显示CaF₂基底镀层存在明显的界面分层，证实热机械耦合损伤机制。

【Conclusions】
研究证实MIR光学镀层损伤主要受热效应驱动，但具体表现形式受缺陷类型和基底材料调控。熔融石英基底因更低的热膨胀系数展现出更优的机械稳定性，而CaF₂基底的界面应力失配成为新的损伤敏感因素。该发现为设计高损伤阈值MIR镀层提供了明确方向：需同步优化吸收缺陷控制和热应力匹配，特别是对于ZGP光学参量放大系统等需要多波段镀层的高功率应用场景。

这项研究首次系统揭示了真实MIR激光环境下光学镀层的失效规律，不仅填补了2 μm波段损伤机制的研究空白，更通过建立"材料-缺陷-界面"的多尺度损伤模型，为下一代高功率MIR激光器的可靠性设计提供了理论基石。团队提出的界面应力调控策略，可延伸至3-5 μm大气窗口等其他重要波段，对推动激光精密加工、生物医学检测等应用具有重要实践意义。