根据我国强激光装置建设和工程任务对强激光薄膜元件的需求，基于对薄膜损伤机制的认识，同济大学提出了“全流程定量化”控制缺陷制备激光薄膜的思路。同济大学利用结构、性质可控人工小球制作定量化人工缺陷，系统研究了基板加工、超声清洗、电场模拟与调控、镀膜材料与工艺选择、镀后后处理、激光预处理、传递与保存等因素对薄膜元件激光损伤特性和损伤规律的影响。从损伤形貌和损伤规律上证实了节瘤缺陷电场增强理论模型的正确性，促进了研究人员对节瘤缺陷损伤机制的认知深度，提出了提升薄膜损伤性能的新途径，创建了新材料，实现了可兼顾环境稳定性、光谱特性和损伤特性的多功能强激光薄膜制备，有力支撑了我国强激光装置建设和激光技术的进一步提升。

超低损耗激光薄膜在引力波探测、光原子钟、光腔衰荡光谱等精密测量领域具有重要应用。激光谐振腔的腔长稳定性和总光学损耗决定了测量系统的灵敏度和信噪比。在薄膜材料、制备工艺和检测技术的发展下，薄膜光学损耗控制和热噪声研究方面取得了显著的进展。在光学损耗方面，薄膜吸收已能控制在亚10^-6量级，薄膜散射成为光学损耗的主要因素。本文重点从缺陷诱导散射和界面散射两方面梳理了薄膜散射控制的研究思路和成果，通过光学因子设计和界面功率谱密度调控降低薄膜界面散射，建立了节瘤缺陷诱导散射的理论分析模型，阐明其物理机制，提出了缺陷诱导散射的控制技术。在热噪声研究方面，主要介绍薄膜机械损耗的物理机制，通过薄膜材料体系优化降低反射薄膜的机械损耗，持续改进薄膜机械损耗的表征方法。

采用时域有限差分法研究了多因素对光学介质薄膜表面冗余节瘤粒子微分散射截面随散射角的变化规律.对光学介质薄膜表面冗余节瘤粒子复合散射进行建模, 并针对典型半空间问题, 对总散射场进行分解并对相应的场相位进行求解, 给出网格剖分规则.将数值结果退化为冗余球体粒子, 与MOM (Method of Moments)矩量法进行详细比较, 验证程序的有效性.分析P偏振光入射下, 入射角、长短轴轴比和镶嵌高度h对Cu和SiO2镶嵌粒子微分散射截面随散射角的影响规律.结果表明：微分散射截面的最大峰值出现在入射角的镜面值角度; 在镜向散射区域附近, 对于扁平回转椭球体粒子微分散射截面随冗余节瘤粒子轴比的增大而减小, 扁长回转椭球粒子的规律相反; 在[-90°,-60°]散射角区域, 微分散射截面与冗余节瘤粒子镶嵌高度成正比, 镶嵌高度对介质粒子散射特性影响更大.

在高功率激光系统中, 光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型, 分析在不同激光辐照时间和功率密度下, 表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明, 在强激光连续辐照下, 当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时, 随着杂质粒子尺寸的增大, 薄膜元件上的最高温度随之升高, 且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长, 表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大, 节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。

探究了节瘤缺陷平坦化技术中平坦化层（刻蚀层）厚度和种子源尺寸之间的刻蚀规律，同时解释了平坦化技术提高节瘤缺陷的损伤阈值的机制。在双离子束溅射系统中，使用SiO2微球模拟真实的种子源置于基板上，镀制1064 nm HfO2/SiO2高反膜，制备人工节瘤缺陷。对类似于实际种子源的SiO2微球一系列不同刻蚀程度的实验得出了节瘤缺陷平坦化技术的刻蚀规律：只要平坦化层（刻蚀层）的厚度稍大于节瘤缺陷的种子源粒径，就可以将种子源完全平坦化。使用时域有限差分法（FDTD）模拟不同平坦化程度的节瘤缺陷内电场增强的结果与节瘤缺陷的损伤形貌进行对比实验，将损伤形貌和损伤阈值与电场强度分布之间建立联系，表明平坦化技术可以改变节瘤缺陷原有的几何结构，有效抑制节瘤缺陷的电场增强效应。最后，通过对未经平坦化和经过平坦化处理后的节瘤缺陷进行损伤阈值测试，对比结果直接验证了节瘤缺陷平坦化技术可以实现对节瘤缺陷的调控，大幅度提高了节瘤缺陷的损伤阈值。

在高能激光系统中, 反射膜的损伤生长特性和初始损伤一样重要。对薄膜损伤生长特性的研究将有助于探究反射膜损伤机制, 从而进一步有效地提高其抗激光损伤能力。使用电子束蒸发(EB)和离子束辅助(IAD)两种工艺制备了1 064 nm波长下的HfO2/SiO2反射膜, 利用四种尺寸的单分散的SiO2小球形成人工节瘤, 来研究薄膜镀制工艺和节瘤尺寸对节瘤损伤生长特性的影响。激光损伤测试结果表明: 节瘤损伤生长阈值基本随节瘤尺寸的增加而减小。EB工艺制备的反射膜中, 四种尺寸节瘤的损伤生长阈值都高于其初始损伤阈值, 而IAD工艺制备的反射膜中结果则相反。另外, IAD工艺要比EB工艺制备的反射膜中的节瘤在发生初始损伤后更易于损伤生长, 说明薄膜镀制工艺对节瘤的损伤生长速度有一定的影响。

采用近场显微成像法测量了高功率激光镜片薄膜表面裂纹和内部节瘤缺陷,并分析了它们的形成机制。100 nm孔径的圆锥形针尖辐射的倏逝波与薄膜中预埋的缺陷相互作用, 将倏逝波转化为辐射波后, 由物镜收集并在远场逐点成像,同步地获得薄膜表面的原子力显微镜(AFM)图像和扫描近场光学显微镜(SNOM)图像, 以便直观地识别缺陷产生的物理机制。结果表明：在倏逝波的有效作用区域内, 薄膜表面裂纹与内部节瘤可以同时精确地被识别。通过对比SNOM与AFM结果, 发现基底表面裂纹在镀膜过程中积累了残余应力, 这导致薄膜的表面呈层状断裂, 其单条最小裂纹横向剖面尺寸为165 nm, 超过了传统远场检测的实验检测精度; 此外, SNOM图中的亮斑表明, 薄膜的内部有高于基底折射率的节瘤存在。

在近红外反射类激光薄膜中, 节瘤缺陷是引起薄膜激光损伤的主要因素。为了提高激光薄膜的损伤阈值, 对节瘤缺陷及其损伤特性进行研究具有重要意义。从“真实”节瘤缺陷和“人工”节瘤缺陷两个方面介绍节瘤缺陷的研究进展。基于“真实”节瘤缺陷的研究, 建立了节瘤缺陷的结构特征, 形成了节瘤缺陷损伤特性和损伤机制的初步认识, 利用时域有限差分法(FDTD)模拟了电场增强, 初步解释了节瘤缺陷的损伤机制, 发明了抑制节瘤缺陷种子源的方法和激光预处理技术, 减少了节瘤缺陷, 提高了薄膜损伤阈值。但是“真实”节瘤缺陷的性质, 如种子源尺寸、吸收性以及位置深度等, 都难以控制和预测, 难以开展节瘤缺陷损伤特性的系统和量化研究, 致使关于节瘤缺陷损伤的科学认识尚有不足。基于“人工”节瘤缺陷的研究, 可以实现节瘤缺陷损伤特性的系统、量化甚至单一因素研究, 极大地提高了实验研究的效率和可靠性, 获得了一系列定量损伤规律。“人工”节瘤缺陷的高度受控性使实验研究与理论模拟的可靠对比成为可能, “人工”节瘤缺陷的损伤形貌和FDTD电场模拟的直接比较实验不仅验证了时域有限差分法(FDTD)模拟电场的正确性, 也进一步明确了电场增强是诱导节瘤缺陷损伤的主要机制。对节瘤缺陷的损伤机制有了更为深刻的认识后, 人们开始调控节瘤缺陷的电场增强效应提高节瘤缺陷的损伤阈值, 发展了宽角度反射薄膜技术和节瘤缺陷平坦化技术, 抑制电场增强, 提高损伤阈值。这扩展了控制节瘤缺陷的思路和方法, 从原来单一的去除节瘤缺陷到调控节瘤缺陷, 为进一步提高薄膜的损伤阈值开辟了新的方向和途径。

研究了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜中节瘤的损伤特性。为了研究偏振分光膜中节瘤缺陷种子源粒径大小与损伤阈值之间的关系，在熔石英基板上植入了尺寸和密度可控的单分散性的SiO2小球，并采用电子束蒸发技术在熔石英基板上制备了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜。为了便于损伤测试，节瘤缺陷密度控制在20~40 mm2左右，并采取旋涂的措施防止了SiO2小球团聚的现象。为了获得人工节瘤损伤能量的统计值，用脉宽为10 ns的1 064 nm脉冲激光进行了光栅扫描式损伤测试。实验结果表明在偏振分光膜中节瘤缺陷的损伤阈值随着种子源粒径的增大而单调下降。