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。

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。

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。

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。

采用离子束溅射(IBS)的方式, 制备了1064 nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。 通过渐变折射率的设计方式, 很好地抑制了边带波纹, 增加了1064 nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现, 随着脉冲个数的增加, 损伤阈值下降明显; 但是在20个脉冲数后, 损伤阈值(维持在22 J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察, 发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察, 证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出, 渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的, 在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷, 引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧, 造成损伤的“累积效应”。

主要讨论了电子束蒸发SiO2/HfO2薄膜的面形控制和损伤性能。研究了电子束蒸发工艺参数对薄膜应力以及面形的影响；分析了制备工艺对薄膜吸收、节瘤缺陷密度的影响，测量了制备薄膜的损伤阈值。研究结果表明：调整SiO2蒸发时的氧分压可以有效地将薄膜的应力控制在-250~-50 MPa。同时采用金属Hf蒸发可以显著地将节瘤缺陷密度从12.6 mm-2降低至2.7 mm-2，同时将损伤阈值从30 J/cm2提高至55 J/cm2。

结合本实验室及国内外同行的工作进展，概括性地介绍了光学薄膜中节瘤缺陷的生长特性、结构特征和损伤特性，以及激光预处理和破坏修复技术的研究进展。节瘤种子的尺寸、形状和表面特性决定了节瘤缺陷的尺寸、边界结构的连续性和表面形貌特征。节瘤种子的来源主要有基底加工和清洗过程的残留物，镀膜过程中真空室的污染和蒸发材料的喷溅，并给出了相应的抑制方法。节瘤的电场增强效应是导致节瘤缺陷易损伤的另一个重要原因。节瘤缺陷的激光预处理和破坏坑的修复技术可以提高光学薄膜的抗激光损伤能力。

P-polarization high reflectors are deposited by e-beam from hafnia and silica. 1-on-1 and N-on-1 tests at 1064-nm wavelength with P-polarization at 45° incidence are carried out on these samples. Microscope and scanning electron microscope are applied to investigate the damage morphologies in both 1-on-1 and N-on-1 tests. It is found that the laser damage threshold is higher in N-on-1 tests and nodular defect is the main inducement that leads to the damage because nodular ejection with plasma scalding is the typical damage morphology. Similar damage morphology observed in the two tests indicates that the higher laser damage threshold in N-on-1 test is attributed to the mechanical stabilization process of nodular defects, owing to the gradually increased laser fluence radiation. Based on the typical morphology study, some process optimizations are given.