激光薄膜背后：一位女科学家的“追光”之路

在浦江之畔，有一群以智慧为犁、以坚韧为种的女性。她们于实验室微光里攻坚克难，在科研探索征途上步履不停。

《科学画报》携手上海市女科技工作者协会，联袂打造“浦江慧见”专栏。在这里，我们解读硬核科研成果背后的柔韧力量，聆听她们与科学相伴的故事，看见这片科创沃土上的巾帼华章。

本期科学家

朱美萍

中国科学院上海光学精密机械研究所研究员

文|任咪咪《科学画报》特约记者

当我们佩戴眼镜观赏窗外景致，使用相机记录生活的美好瞬间，抑或沉浸于高清显示屏呈现的视觉体验时，鲜少意识到，这些日常物品都与一种关键材料密不可分，它就是光学薄膜。作为透明的功能层，光学薄膜能有效提升光学元件的性能，让景物色彩更加鲜明，使清晰的影像近在眼前。在高精尖的科研领域，光学薄膜更是推动激光技术发展的核心要素。

01.

光学薄膜：无处不在的“隐形卫士”

光学薄膜在我们的日常生活中随处可见，它通常由两种（或多种）材料交替沉积在光学玻璃基板表面制备而成。通过精确设计各膜层的折射率、厚度及吸收特性，光学薄膜可以有效调控光的反射、透射、吸收和偏振等特性。根据不同的光谱性能要求，光学薄膜可分为多种类型，包括减反射膜（也称增透膜）、高反射膜、分光膜及滤光片等。

增透膜是最常用的光学薄膜之一，它利用干涉相消效应，有效降低光学玻璃基板表面的反射率。我们在眼镜、相机镜头和显示屏上都能看到增透膜的身影，它常与其他功能膜层组合使用，为光学设备带来了更好的性能表现。例如，眼镜表面的增透膜可将眼镜片单个表面的反射率从约4%降低至1%以下，从而提高眼镜片在可见光波段的透射率，让佩戴者获得更清晰的视野。通过选用具有紫外吸收特性的镀膜材料或者加镀UV防护膜层，眼镜表面的光学薄膜还能阻挡紫外线，保护眼睛免受伤害。相机镜头表面的光学薄膜不仅能抑制表面反射、提升成像质量，还需具备耐刮擦性能，以延长镜头使用寿命。显示屏表面的光学薄膜能够增强显示屏的对比度与色彩表现力，同时降低外界光线的干扰，让屏幕在不同环境下均可保持良好的显示效果。

此外，光学薄膜还可用于光波引导、光开关、激光装备和集成电路等领域。它们宛如隐形的卫士，悄然提升着各类光学设备的性能。

02.

激光薄膜：高精尖的光学“神器”

激光薄膜是指应用于激光系统的一种特殊光学薄膜，用于高效地控制和传输激光能量。激光薄膜元件是激光聚变驱动装置、超强超短激光装置、高端激光装备中的核心元件，其性能直接影响激光装置的光束质量和输出功率。激光装置对激光薄膜元件的主要性能要求包括3个方面：特定的光谱性能和良好的厚度均匀性，以满足传输需求并降低传输损耗；低膜层应力，以最小化波前畸变；高激光损伤阈值，以最小化光束尺寸。其中，激光损伤阈值是指激光薄膜在单位面积上所能承受的最大激光功率，是激光薄膜元件的核心技术指标。从科学意义上说，薄膜元件的激光损伤阈值越高，在高功率条件下的使用寿命就越长。从经济意义上说，薄膜元件的激光损伤阈值足够高，激光束的口径才有可能做得足够小，从而才能降低高功率激光装置的建造成本。

用于激光聚变驱动装置等大型高功率激光装置的大尺寸激光薄膜元件，常采用电子束蒸发技术在高真空条件下制备而成。电子束蒸发的原理是：当金属处于高温状态时，其内部的一部分电子因获得足够的能量而逸出表面。高速运动的电子流在一定的电磁场作用下，汇聚成细束并轰击镀膜材料表面，动能转化为热能使镀膜材料蒸发，镀膜材料分子或原子到达光学玻璃基底表面并附着，形成薄膜。交替蒸发不同的薄膜材料，便可以形成具有各种性能的薄膜。

03.

激光薄膜的探索与突破

中国科学院上海光学精密机械研究所朱美萍研究员及其团队长期深耕激光薄膜技术，对激光薄膜的材料、设计、制备和损伤机理进行深入探究，不仅攻克了多项核心技术难题，更为未来光学与激光技术的发展开辟了新可能。

为了提升激光薄膜元件的激光损伤阈值，朱美萍团队持续探索新型镀膜材料与制备方法。例如，利用电子束双源共蒸发技术和纳米叠层技术，团队开发了多种复合薄膜态材料，获得了折射率和光学带隙在一定范围内可调的新材料，为高综合性能激光薄膜的设计增加了自由度。针对基底（亚）表面缺陷，团队创新利用飞秒激光加工技术，定量化研究了基底坑点尺寸对薄膜激光损伤阈值的影响，并发明了基底表面结构性缺陷的缝合修复方法。针对膜层界面缺陷，团队借助电容-电压表征技术，揭示了多层膜界面缺陷的不对称特性，并提出了基于超薄氧化硅材料的界面缺陷抑制方法。针对杂质颗粒引起的节瘤缺陷，团队发明了缺陷抛光修复方法，避免了节瘤球冠引起的局部电场增强。这些工作显著提升了激光损伤阈值。

在研究的过程中，团队还攻克了膜层龟裂和纳米精度控制等核心技术，为大型高功率激光装置的建设与稳定运行提供了强有力的技术基础和元件支撑。大尺寸高性能激光薄膜元件制备技术被推广应用于中小尺寸激光薄膜元件，研制的薄膜元件批量应用于聚变激光、超强超短激光、高端激光装备、激光加工与激光医疗等领域。

光学薄膜在我们的生活中扮演着重要的角色。科学家通过不断地研究和探索，克服了光学薄膜的诸多技术难题，为相关领域的发展和应用提供了有力支持。未来，随着技术的不断进步，光学薄膜将在更多领域发挥更大的作用。

*本文刊登于《科学画报》2026年第1期，更多相关内容欢迎订阅。

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