#高功率激光镀膜 #光学镀膜 #磁控溅射镀膜 #增透明 #反射膜
摘要
高功率激光涂层在实现各种激光应用中的光学操控方面起着关键作用，包括高功率激光系统中的光束对准与控制。这些涂层依赖于多层膜和微结构，如减反射（AR）和高反射（HR）涂层、滤光片和分束镜，以增强其性能。本综述聚焦于用于操控光场的激光涂层、其主要局限性以及高功率应用中的激光诱导损伤。重点介绍了在探索光学涂层的光学性能和独特功能，以及通过结构优化、材料工程和缺陷消除来优化抗激光性能方面的概念、原理和进展。最后，讨论了为提高设计灵活性、制造可行性、用于高分辨率缺陷表征的先进检测技术以及进一步考虑最小化光学损耗的未来发展方向，以满足现代高功率激光系统不断变化的需求。
关键词： 激光涂层，激光诱导损伤，超表面，光操控
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文章名：Research progress and prospects of laser coating technology
作者：Jingjing Xia1,2，Jinlong Zhang1,2,*, Hongfei Jiao1,2, Xinshang Niu1,2, Xiaochuan Ji1,2, Tao He1,2,Siyu Dong1,2, Jingyuan Zhu1,2, Xinbin Cheng1,2 and Zhanshan Wang1,2,*
单位：1 MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, Shanghai 200092, China
2 Institute of Precision Optical Engineering, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
引言
高功率激光系统的快速发展使其在众多科学和工业领域得到了广泛应用，例如空间碎片的探测与清除 [1,2]、激光喷丸强化 [3]、激光材料加工 [4] 和激光核聚变 [5]。光学涂层具有调制激光强度、光谱、偏振、色散和传播方向的多功能性，是高功率激光系统中的关键组件。输出激光的质量和能量取决于其性能，这制约着高功率激光技术的发展 [6,7]。
光学涂层理论可以追溯到 17 世纪，当时发现了牛顿环现象和光的干涉。基于电磁理论和波动理论的结合，推导出了界面处的振幅、能量和相位关系。由此，为光学涂层建立了直接的理论基础。20 世纪初，在 Alexander Smakula [8] 的一项研究中，制备了多层膜以满足减反射（AR）涂层的要求，这标志着光学领域的一次重大进步。现代光学涂层已从一维（1D）层扩展到多维多层膜、光栅、超表面、超材料及其组合。它们调节光束形状、功率、偏振和带宽的能力保障了输出激光的性能，并推动了现代技术和学科的发展。
尽管光学涂层的基础理论仍能准确描述光场的传播行为，但由于对光场调控能力和激光诱导损伤的控制不足，设计和制备所需的光学涂层仍然具有挑战性。在过去的十年中，有限元分析、机器学习和人工智能等分析和计算策略已被引入以支持结构设计和多物理场模拟。严格耦合波分析（RCWA）和时域有限差分（FDTD）方法的出现，与近场和远场表征相结合，有助于揭示激光诱导损伤的机理。能够调节材料带隙和控制缺陷的制造技术的发展可进一步提高高功率激光涂层的性能。
本文阐述了光场调制的基本概念、高功率激光涂层的激光诱导损伤机理以及面向性能要求的研究进展。最后，讨论了高功率激光涂层未来的挑战与机遇。
高功率激光涂层的概念与原理
光学操控多层膜
在光学中，多层膜是由具有不同折射率的材料交替组成的薄膜结构，通常以周期性或准周期性的方式排列。多层膜涂层背后的基本意图是利用干涉效应。当光与不同折射率层之间的界面相互作用时，会发生相长干涉或相消干涉，这取决于各层的光学厚度和入射光的波长。这使得多层膜能够针对特定的光学功能进行定制，例如增强某些波长的反射或减少其他波长的反射。
多层膜中的总反射率和透射率是通过考虑每个界面的累积效应以及由层厚度引起的相移来计算的。历史上，多层膜计算采用基于菲涅尔系数公式的递推方法来确定表面的反射率和透射率，并迭代推进以获得所有层的等效值。导纳矩阵法的出现简化了这一计算过程，并已成为主要使用的方法 [9]。对于厚度为 d_i、折射率为 n_i、入射角为 θ_i、波长为 λ 的层，其特征矩阵 M_i 为：
其中，δ_i = (2π n_i d_i cos θ_i) / λ 是该层的相位厚度，而
为导纳。N 层膜的总系统矩阵是各层矩阵的乘积。
多层膜系统的反射率和透射率可以通过求解界面处的电场和磁场从总矩阵中提取，具体如下：
多层膜在高功率激光系统中的关键应用包括减反射（AR）涂层和高反射（HR）涂层、边缘/带通滤光片、分束镜、偏振器和色散元件，如图1a所示。这些要求在折射率对比度、光谱或角度响应以及色散管理方面强调精度、控制和稳定性。在高功率激光系统中，这些特性对于优化性能和确保多层膜组件的耐久性至关重要。
微结构
多层膜涂层的特征是垂直于表面的分层结构，在整个表面上均匀一致。另一种方法涉及横向的修饰，即所谓的微结构。这些结构能够在亚波长尺度上精确控制光与物质的相互作用，从而有利于在宽电磁频谱范围内实现对波前和偏振分布的任意操控，并为增强涂层材料的本征特性提供了机会。根据设计原理，微结构可分为四种类型：等效介质纳米结构、光栅、超材料和超表面；每种类型都具有独特的光学能力。
多孔或织构化等效介质纳米结构是通过在亚波长尺度上使用调制填充因子将衬底材料与空气结合来设计的，以控制有效折射率，如图1b [10–12] 所示。将这些纳米结构与多层膜集成，无论是作为替代还是组合，都为光学涂层的发展引入了新的维度，特别是在可见光和近红外（IR）区域。Tolenis 等人 [10] 演示了使用掠射角沉积（GAD）来制备全玻璃多孔-无孔高-低（HL）折射率堆叠。改变入射蒸汽粒子的入射角度可调节层内的孔隙率，从而控制有效折射率，同时保持与传统HL堆叠用于高反射（HR）涂层相当的光学性能。在等效介质理论的基础上，周期性或随机织构化表面被引入作为传统多层膜的替代方案。研究人员发现织构化表面的带宽与单元形状之间存在强相关性，这表明了新的优化方向。例如，Yu 等人 [12] 使用三层抗蚀剂纳米压印光刻制备了锥形周期性硅结构，并在可见光谱中实现了低于3%的反射率。Nishijima 等人 [18] 报道了通过湿法和干法蚀刻工艺相结合在Si上制备的级联复合纳米结构，并在可见光波长法向入射下实现了小于1%的反射率。Yoo 等人 [13] 使用固态扩散去湿法用于金纳米颗粒（NP）集合体的自组装，随后进行反应离子束刻蚀（RIBE），产生了随机纳米结构，在较短刻蚀时间内从柱状演变为较长刻蚀时间下的圆锥状（图1c）。当侧壁斜率达到约12的纵横比时，在350–2000 nm范围内反射率降至0.5%以下 [19]。这些等效介质纳米结构易于制备，其折射率可通过调整刻蚀时间来调节，这展示了大孔径光学器件和超越周期性设计的结构自由度的潜力。将纳米颗粒掩模与倾斜刻蚀相结合进一步研究，已产生了具有倾斜特征的纳米结构，这些结构诱导光学各向异性和双折射，使其适用于波片等应用 [15]。
图1 光学涂层的光学操控。a 典型多层膜反射镜的光谱性能。b 多孔 [10] 和织构化纳米结构 [11,12]。c 从柱状演变为圆锥状的纳米结构及其在不同应用中的表现 [13–15]。d 用于宽带高效率的多层膜光栅 [16]。e 通过将超表面与多层膜集成实现的准三维微结构 [17]。
光栅是具有一个横向自由度的微结构，广泛应用于啁啾脉冲放大（CPA）系统 [20]。它们在放大之前对输入脉冲进行展宽，以降低峰值强度并防止增益介质损伤。脉冲压缩光栅（PCGs）有助于实现高功率、高亮度光谱光束合束，同时保持衍射极限性能 [21]。如图1d所示，将多层膜与光栅相结合可提供相位调制并提高效率。然而，在宽光谱带宽内实现接近100%的衍射效率（DE）仍然是一个挑战，特别是对于超过100 nm的短脉冲。此外，光栅的偏振依赖性限制了它们在高功率激光光束合束中的性能。单层光栅结构只能调制有限的参数集，如折射率、占空比和光栅高度，这使得难以针对横电（TE）和横磁（TM）偏振光同时优化衍射效率。尽管双层光栅提供了更大的设计灵活性，但仍难以满足宽带高效率的要求。随着高功率激光系统的不断发展，对宽带效率和偏振独立调制的需求日益增长，以满足性能预期。
微结构的下一阶段涉及具有可调三维（3D）结构参数的超材料。这些材料可以实现任意介电常数和磁导率，从而引发负折射和电磁隐身等新型光学现象 [22]。尽管三维超材料已在微波领域得到应用，但它们在光学频率范围的发展受到亚波长尺度制造挑战的限制。
因此，二维（2D）超表面被提出以解决这一问题。这些超表面利用亚波长天线控制光，兼具亚波长尺度的强波前调制能力和制造可行性。由于近年来微纳制造技术的进步，已有大量由各种材料制成的超表面器件被报道，包括超透镜 [23]、隐形斗篷 [24]、吸收器 [25]、涡旋光束发生器 [26] 和全息系统 [27]。超表面可以实现对标量和矢量光场的完全控制 [28,29]，这意味着单个超表面平台可以替代多个传统光学元件。由于其强大的能力和多参数优化自由度，超表面因其在高功率激光系统中的潜在应用而受到越来越多的关注。
超表面具有远优于传统光学元件的紧凑性。然而，实现高效率仍然是一个重大挑战。研究人员正在研究限制效率的物理机制，重点关注阻抗分布和表面波相互作用。尽管超表面已展现出高反射率，但高功率激光系统的效率要求尚未得到满足。一种直接的方法是将超表面与更成熟的技术和功能器件集成。例如，将超表面与多层膜集成可以潜在地平衡相位控制和反射率（图1e）[17]。持续研究激光与准三维微结构之间的相互作用对于释放其全部潜力至关重要。
激光诱导损伤
光学涂层中激光与材料之间的复杂相互作用导致激光诱导损伤。当光学涂层暴露于高功率激光辐射时，材料变化表现为可恢复的改性，在可见损伤发生之前即影响光学性能。一旦永久性损伤被引发，损伤点会随着重复激光照射而扩大，降低光学性能，并最终导致器件失效。在高功率激光系统中，光学涂层的激光诱导损伤被认为是提高输出功率的主要限制因素 [30]，并且数十年来一直是研究的主要焦点 [31]。
初始损伤
光学涂层中的损伤机理是一个复杂的过程，受多种因素影响，如激光参数（波长、脉冲宽度、频率和能量）和薄膜特性（材料类型、缺陷等）[32–34]。特别是，激光脉冲宽度在决定激光与材料之间的相互作用方面起着至关重要的作用，如图2a [35–37] 所示。
在短脉冲激光（亚皮秒至飞秒）中，能量被快速沉积，瞬间加热材料。由于损伤形貌（图2b）[38]干净，几乎没有熔化、机械损伤或材料飞溅的残留物，因此场致损伤被称为“冷”损伤 [47]。这一过程由非线性吸收机制驱动，包括多光子吸收、雪崩电离和隧穿电离，这些机制导致场致损伤，因为非线性过程的强度和效率与材料内部的电场强度（EFI）直接相关。由于脉冲间隔时间与涂层材料的晶格热弛豫时间相当，短脉冲激光的孵育效应很强，最终导致缺陷位点的积累 [48,49]。多光子电离对激光强度 [50] 和激光脉冲数 [48] 呈现幂律依赖性，并受脉冲间隔时间的影响，这实际上使吸收过程具有确定性。飞秒激光引起的非线性折射率和吸收变化已通过双光子吸收过程 [51,52] 被识别，并且即使光强度低于激光诱导损伤阈值（LIDT）[53]，它们也成为限制因素。
相反，长脉冲激光（皮秒至纳秒）引起的损伤更为复杂。损伤过程主要始于缺陷诱导的线性热吸收，导致材料熔化 [39]、汽化和电离，最终形成等离子体。该等离子体也吸收激光能量，导致温度急剧升高和快速膨胀，从而产生冲击波，造成冲击和机械损伤 [40]。这可能导致材料开裂、晶粒扩张、剥离和喷射，从而产生复杂的损伤形貌（图2c）[38]。吸收性缺陷可产生致密等离子体，从而诱导热-等离子体耦合损伤 [41]。即使能量低于汽化阈值，激光也可诱发结构或化学改变，在多个脉冲中导致缺陷位点积累，最终造成损伤 [54]。因此，长脉冲激光的激光诱导损伤阈值（LIDT）与脉冲持续时间成反比。当电子温度和晶格温度达到平衡并可用同一温度描述时，烧蚀阈值 F_th 与脉冲持续时间 τ_p 的关系可表示为 F_th ~ sqrt(τ_p) [55]。然而，由于热损伤和机械损伤过程之间复杂的相互作用，预测长脉冲激光的 LIDT 比短脉冲激光更具挑战性。
图2 激光诱导损伤机理与形貌特征。a 飞秒至纳秒时间尺度上电子与光子之间的相互作用 [37]。b 飞秒、皮秒和纳秒激光脉冲在多层膜上诱导的典型损伤形貌 [38]。c 纳秒激光脉冲下以热熔化 [39]、机械损伤 [40] 和等离子体烫伤 [41] 为主的多层膜典型损伤形貌。d 三种主要损伤前驱体的示意图：电场增强以及可见与不可见缺陷 [42]。e 多层膜上源于结瘤缺陷 [43] 和纳米吸收中心 [44] 的典型损伤形貌。f 光栅上源于电场增强、结瘤缺陷和纳米吸收中心的典型损伤形貌 [45]。g 1053 nm 皮秒脉冲在多介质衍射光栅（MDGs）上的生长序列 [46]。
对于连续激光，热积累占主导地位 [56,57]，且不考虑孵育效应：烧蚀和机械损伤是连续激光损伤的典型形貌特征，因为层材料和局部缺陷的吸收改变了薄膜的温度场，从而诱发热应力损伤；当热效应产生的温度达到薄膜熔点时，薄膜呈现热熔化损伤。连续激光的激光诱导损伤阈值（LIDT）可以通过应用热扩散方程进行预测或校准。
高功率激光的损伤前驱体可大致分为三种主要类型：本征电场增强 [45]、可见缺陷和非可见缺陷 [58]，如图2d所示。对多层膜的研究表明，界面损伤的主要贡献者是涂层内部形成的驻波电场，其最大值通常出现在靠近空气的界面处。Li 等人 [59] 比较了 HfO₂/SiO₂ 高反射（HR）涂层的损伤点截面和激光诱导损伤阈值（LIDT）与相应电场强度（EFI）分布，确定损伤在 EFI 峰值附近引发，且 LIDT 与最大 EFI 之间存在负线性关系。对光栅的研究突显了电场的重要性。Néauport 等人 [60] 制备了多个在多介质衍射光栅（MDG）内具有不同电场分布的样品。对损伤点的详细光学和原子力显微镜（AFM）检查表明，损伤发生在电场最高时。进一步的研究 [61] 证实，MDG 的 LIDT 由 E² 的值决定。尽管超表面的实验 LIDT 研究有限，但已确定这些结构中的电场增强在理论上更大。为了从整体 LIDT 中提取 EFI 的影响，Sozet 等人 [62] 提出使用本征 LIDT（LIDT_int = EFI_max × LIDT_eff）来比较不同样品。
除了本征电场增强之外，光学涂层还包含从亚微米到亚毫米尺度的缺陷，包括衬底缺陷、涂层内的杂质颗粒、纳米级缺陷（如沉积过程中形成和聚集的金属和介质纳米团簇，或干法刻蚀过程中化学键破坏再沉积所致）以及制备后的表面污染物。这些缺陷通常根据检测难度分为可见缺陷和非可见缺陷。随着无缺陷抛光技术的不断发展，可见的衬底划痕、坑点和凹坑已不再是问题，仅在大孔径光学器件中仍需考虑。然而，源自颗粒或籽晶的结瘤缺陷仍然至关重要。结瘤发展为倒锥形，其圆顶顶部突出于涂层表面（图2d-f）[54,56]。理论和实验研究均证实了结瘤缺陷在增强结瘤内部电场、放大局部能量吸收和增加损伤可能性方面的重要作用。Dijon 等人 [63] 证明，浅结瘤导致平坦的坑点，而较深的结瘤则因碎裂而产生锥形坑。这种行为可以通过热损伤模型来解释，在该模型中，弯曲结瘤表面不同点的能量吸收导致局部过热并最终造成损伤。Chris 等人 [64,65] 采用三维时域有限差分（FDTD）模拟来阐明结瘤损伤与结瘤内部电场增强之间的联系，该联系随反射带和光偏振而变化。Zhang 等人 [66] 开发了一个耦合光电离、碰撞电离、电子碰撞、加热和折射率变化的动态模型，以分析深结瘤和浅结瘤对多介质衍射光栅（MDGs）的影响。他们发现深结瘤更可能导致涂层内部损伤，而结瘤诱导的散射与无缺陷MDG电场的叠加是损伤分布的主要原因。有趣的是，虽然电场模型预测损伤始于光栅柱，但实验结果表明损伤始于结瘤喷射，从而强调了考虑结瘤机械弱点的重要性。Poulingue 等人 [67] 采用纯机械方法证明，直径为4 μm或更大的结瘤很容易对薄膜造成机械损伤。Ma 等人 [68] 采用电子束蒸发（EBE）和离子辅助沉积（IAD）结合退火的方法，制备了具有不同边界连续性的 Ta₂O₅/SiO₂ 薄膜人工结瘤。对于相同尺寸的结瘤，IAD工艺制备的薄膜的损伤阈值比EBE工艺制备的薄膜高出四倍，这表明强边界连续性具有更好的耐久性。然而，损伤增长阈值表现出相反的行为：对于EBE反射镜薄膜中的结瘤，平均损伤增长阈值测得为11.6 J/cm²，约为初始损伤阈值的2.9倍。相反，对于IAD反射镜薄膜，平均损伤增长阈值为7 J/cm²，比初始损伤阈值低2.6倍。这表明，尽管结瘤边界连续性提高了初始抗损伤能力，但薄膜随着时间的推移更容易发生损伤增长。
尽管非可见缺陷较小，且与结瘤相比对电场强度（EFI）和机械强度的影响极小，但它们会引入带隙内态，从而形成纳米吸收中心。这些纳米吸收中心可触发等离子体形成，导致热爆炸并最终造成损伤（图2d-f）[53,55,56,69,70]。然而，由于非可见缺陷密度低且尺寸为亚微米级，检测它们具有挑战性，这使得实验结果与理论模型之间的有意义的比较变得困难。为了解决这一问题，人工金纳米颗粒（NPs）常被用来模拟纳米吸收中心，因为它们具有详细记录的光学和热学特性、窄的尺寸分布和化学稳定性，并且可以胶体或粉末形式获得。Papernov 等人 [71] 报道了纳米吸收金颗粒与弹坑位置之间的良好对应关系，并指出吸收是损伤起始的唯一原因。即使是直径为1.9 nm、嵌入深度为60 nm的金颗粒，也能将阈值显著降低三分之一。金颗粒吸收的能量 E_abs（基于米氏理论）与形成弹坑所需能量 E_cr（通过原子力显微镜（AFM）测量）的比较证实 E_abs ≤ E_cr，这意味着吸收离域发生在颗粒体积之外，这为等离子体球的形成提供了直接证据，验证了热爆炸机理。
含有缺陷的光学涂层会显著影响其抗激光性能。结瘤影响电场、机械强度和激光诱导损伤阈值（LIDT），而纳米吸收中心主要影响LIDT，但不会改变涂层的其他特性。由于其聚焦效应，结瘤在飞秒 [63] 和纳秒 [54] 脉冲条件下对电场和偏振高度敏感，这使得高反射（HR）涂层和偏振器尤为重要。相反，纳米吸收中心在减反射（AR）涂层和设计用于短波长（如532 nm、355 nm和近紫外区域）[72,73] 的涂层的损伤起始中起着更重要的作用。用亚阈值通量预处理嵌入金颗粒的样品可以将金分散到周围基质中，为了解紫外激光调节的可能机理提供了见解 [74]。可以预见，当多层膜界面或微结构脊线等缺陷附近的电场强度（EFI）增强时，激光涂层特别容易受损，这强调了局部EFI控制的重要性。
损伤增长
应用于高功率激光系统的光学涂层的寿命受两种不同现象的限制：给定通量下的损伤起始和迭代脉冲下的损伤增长趋势。多层膜和微结构中不同类型的初始损伤在随后的激光照射下会导致不同的损伤增长特性。多层膜中的损伤增长受膜堆设计、镀膜工艺和辐照条件的影响。早期，Genin 等人 [75] 系统研究了典型损伤形貌的增长，并强调了结瘤缺陷的影响。Gallais 等人 [76,77] 拍摄了飞秒和亚皮秒脉冲激光照射下结瘤缺陷的损伤增长过程，并指出在线性阶段，损伤面积按 S_n = alpha * n + S_0 演化，其中 S_0 和 S_n 分别为初始损伤面积和 n 次激光脉冲后的损伤面积，alpha 为线性增长系数，其随增长序列中设置的通量增加而增大。
对于多层膜光栅，损伤通常涉及移除几个相邻的光栅柱段，而不影响下面的多层结构。这种损伤类型更符合应力波 [78] 和喷发压力 [16] 的影响。Hao 等人 [57] 研究了 1053 nm 皮秒脉冲下多介质衍射光栅（MDGs）的损伤增长。一旦引发，损伤面积随激光脉冲数线性增长，并在足够多的脉冲数后因高斯光斑分布而饱和，这与多层膜中观察到的损伤增长特性相似（图2g）。此外，沿激光传播方向的损伤增长率大于反向方向，表明这种增长行为的不对称性是由损伤点引起的不对称强度调制所致。
光学薄膜中的激光诱导损伤是一个多方面的过程，受材料特性、激光参数、缺陷和杂质的影响。理解这些相互作用是提高光学涂层抗激光性能并确保光学元件长期耐久性的关键，尤其是在高功率激光系统中。尽管电场分布主要控制初始损伤和损伤增长，但完整的解释应涉及电学、热学和应力场以及非平衡条件下形貌和相的演化。
高功率激光涂层的研究进展
面向专门应用的光学涂层设计
高功率激光器的广泛应用增加了对具有多样化光谱性能的光学涂层的需求，其范围从标准的高-低（HL）折射率堆叠到更复杂的非周期多层膜。近期在等效介质纳米结构和微纳加工技术方面的进展拓宽了光学涂层的光调制能力，为增强系统紧凑性、光束质量和激光输出功率提供了机会。本节探讨了在提高高功率激光多层膜和多层膜光栅光学性能方面的最新进展，以及超表面如何解锁超越传统激光涂层应用的新功能。
优化光学性能
在高功率激光系统中，涂层在光谱、偏振和相位控制中起着至关重要的作用，这些控制通过多层膜滤光片、偏振器、偏振分束镜、色散镜和脉冲压缩光栅（PCGs）等组件实现。这些功能通常是相互交叉的，而不是独立实现或要求的。薄膜和光栅被专门定制以匹配激光的脉冲持续时间和波长，这会影响关键的材料特性，如吸收和激光诱导损伤阈值（LIDT）。多层膜设计涉及从标准的高-低（HL）折射率堆叠到复杂的非周期结构，优化材料、厚度和堆叠顺序，以满足高功率应用的需求。
用于光谱选择的薄膜滤光片
光谱控制是应用最广泛的高功率激光涂层技术，主要由滤光片实现。在边缘滤光片或带通滤光片中，通常需要在较窄的光谱范围内实现高透射与高反射之间的快速过渡，这要求通带和阻带波长之间具有陡峭的截止（图3a）[79]。Pervak 等人 [81] 从理论和实验上展示了一种采用标准双材料技术制备的、具有两个反射区和宽带透射区的带通滤光片。所制备的滤光片在透射和反射特性方面优于使用 rugate 技术制备的滤光片。使用双材料多层膜是设计陷波滤光片的最简单方法。然而，双材料设计通常包含非常薄的层，难以精确控制，从而也难以控制陷波滤光片的性能。Tikhonravov 等人 [82] 利用约束优化技术改进了准 rugate 涂层的设计，该涂层具有平滑且连续变化的折射率分布。约束优化过程确保在保持折射率连续梯度的同时，实现具有抑制旁瓣反射波纹的扩展高透射区。Zhang 等人 [79] 提出了一种陷波滤光片设计，采用多层膜结构，在 400-500 nm 和 550-700 nm 波长范围内具有高透射率（不包括背面反射），在 500-550 nm 光谱范围内具有高反射率，并通过约束算法进行优化。对靠近衬底的一些层进行了进一步优化，以抑制通带中的透射波纹。此外，所获得设计中所有层的光学厚度均接近中心截止波长的半波厚度，因此适合在沉积过程中进行精确监控。
在特定波长实现近乎完全的透射或反射并具有最小泄漏，对于确保高单色性至关重要（图3b）[80]。虽然这对于采用法布里-珀罗（F-P）腔等策略的透射滤光片来说相对简单，但对于反射式设计仍然是一个挑战。近年来，工作在长波红外波段的窄带滤光片已利用基于导模共振（GMR）和表面等离子体共振（SPR）[82] 的亚波长结构，从而减少了厚度和材料成本。一种关键方法是使用金属薄膜材料与 F-P 滤光片设计相结合，这可以在可见光谱范围内精确控制反射率 [83]。然而，当使用金属的 GMR 和 SPR 时，通常会在宽光谱范围内出现多个透射或反射峰。此外，由于金属对光的强吸收，利用 SPR 的滤光片通常伴随着较宽的光谱线宽，这不利于窄带滤波。最近，利用介电材料的 SPR（如法诺共振 [84]）已被用于实现窄带反射或透射。在激光谐振腔中使用的介质反射镜中，窄带内的高反射率确保了激光在单一波长下高效运行，而不会向相邻波长产生损耗。近期关于多层介质薄膜（MDFs）的工作集中于优化折射率对比度，以在窄波长范围内最大化反射率。这些方法使用先进的建模技术来微调光学性能，适用于激光器、光谱学和其他高精度光学系统。
图3 光学涂层在高功率激光系统中的典型应用。a 采用多层膜结构的陷波滤光片，在100 nm和350 nm处具有陡峭的光谱截止 [79]。经 [79] 许可转载，©美国光学学会。b 长波红外窄带反射滤光片 [80]。c 在775–825 nm波长范围内的高色散镜。d 具有宽带衍射的多介质衍射光栅（MDG）。
偏振选择
偏振器是设计用于选择性透射特定偏振光、同时反射正交偏振光的光学元件。消光比和带宽是评估偏振选择性的关键指标。
双折射晶体如方解石、石英和铌酸锂可以产生具有高消光比的偏振光，并在从紫外到红外的宽波长范围内工作，具体取决于所用材料。然而，它们的性能受到角度敏感性、影响激光诱导损伤阈值（LIDT）的本征材料特性以及因其体积庞大而带来的大孔径制造挑战的限制。
薄膜偏振器具有优异的激光诱导损伤阈值（LIDT）和可扩展性，特别适用于高功率激光系统。这些偏振器通过干涉和反射原理工作，有助于实现分束、脉冲选择、倍频和光学隔离等应用。Stolz [85] 探索了布鲁斯特角偏振器的各种初始设计，重点关注带宽、层厚误差敏感性和消光比。一种设计方法通常通过利用非垂直入射角下的偏振分光特性来优化长波通边缘滤光片，同时保持相对于中心层的镜面对称性。另一种方法是，法布里-珀罗（F-P）带通滤光片设计在相当的设计厚度下实现了更高的消光比。尽管 F-P 设计的角带宽比典型的长波通设计更窄，但它对随机厚度误差的敏感性较低，这使其成为一种更稳健的替代方案。Zhang 等人 [50] 提出了长波通和短波通堆叠的组合来创建宽带薄膜偏振器，并在 1064 nm 处实现了 s 偏振透射率超过 98%、p 偏振透射率低于 1%，带宽为 50 nm。这一性能是传统薄膜偏振器的两倍。Zhu 等人 [86] 采用长波通（LWP）和 F-P 带通方法演示了 1064 nm 处的 HfO₂/SiO₂ 布鲁斯特偏振器，并获得了超过 30 dB 的理论消光比。提高激光诱导损伤抗性是高功率激光系统中偏振器的关键，详见下节。
光栅为偏振选择提供了另一条途径。金-石英光栅结构可以覆盖可见光和近红外光谱，当光栅柱宽度与周期匹配时，可实现超过 100 dB 的消光比 [87]。一种由二氧化硅隔开的四层金亚波长金属光栅在 1100-1600 nm 波长范围内同时表现出高透射率（40% 减反射效应）和高消光比（约 27 dB），在超过 1450 nm 的波长处达到令人印象深刻的 70 dB [88]。Yuan 等人 [88] 提出增加光栅层数可以同时提高透射率和消光比。Jin 等人 [89] 使用多层金属-介质光栅结构设计了反射式偏振分束镜。他们的简化模型在 −1 级和 0 级衍射级次分别实现了 62.2 dB 和 66.4 dB 的消光比。除了偏振选择之外，具有空间非均匀偏振态的矢量光场在纳米加工、新型光-物质相互作用研究和量子光学等领域引起了广泛关注。具有非均匀偏振分布和周期性矢量光束结构的偏振光栅为这些领域的创新应用开辟了新途径 [90]。
色散控制
以千赫兹重复频率、毫焦耳能量递送飞秒激光脉冲的啁啾脉冲放大（CPA）系统构成了非线性光学和超快科学中的主要工作平台。在微焦耳水平运行的高能量飞秒激光振荡器中，也需要与CPA系统中应用的大色散量相当的大色散。这些系统依赖于复杂、有损耗且对准敏感的展宽器和压缩器。具有高-低（HL）介质层的色散镜为宽带色散控制提供了紧凑而高效的解决方案。这些反射镜通过啁啾涂层厚度来改变结构内的布拉格波长，从而影响不同光波长的穿透深度和群延迟（GD）（图3c）。Pervak 等人 [91] 证明，一组高色散啁啾多层介质薄膜（MDFs）可引入高达 10⁵ fs² 量级的所需色散，这具有多种优势，包括简单性、对准不敏感性和提高效率的潜力。Alqattan 等人 [92] 报道了一种高功率四通道阿秒光场合成器，其具有覆盖 200-1000 nm 的宽带光谱、亚飞秒时间持续时间和阿秒分辨率。
然而，由于制造公差的限制，涂层层的总数及其累积物理厚度都受到限制，从而制约了可实现的群延迟（GD）范围。这导致 GD 色散补偿程度与可用工作带宽之间需要权衡。探索将可实现的 GD 范围有效地分布在多个不同频带以增加可实现的 GD 色散量，而不是均匀地应用于单个宽带，这有望推动针对特定光谱范围或多色激发的超快应用。Chia 等人 [93] 提出了一种创新的多带设计方法，以优化预先选定的目标频带上的色散控制。这通过提高每次反射的补偿能力和减少所需的反射镜反射次数，在高度色散的光学系统中实现了更高效的脉冲压缩。将高色散镜（HDMs）推向更高的负色散有利于开发紧凑、用户友好型的高功率飞秒振荡器，甚至可能为简化啁啾脉冲放大器系统中的脉冲展宽-压缩方案开辟前景。
脉冲压缩光栅（PCG）也是啁啾脉冲放大（CPA）系统中广泛应用的色散元件。PCG在高功率应用中的关键挑战是实现衍射光栅在宽光谱范围内（图3d）对横电（TE）和横磁（TM）偏振光均具有接近100%的衍射效率（DE）。迄今为止，已开发出三种主要类型的PCG：金属光栅、多介质衍射光栅（MDG）和金属MDG。金属光栅在高达约300 nm的宽带宽内表现出良好的DE [94]，并且仍然常用于高功率激光器的飞秒压缩器中。然而，由于金属的本征吸收特性导致其激光诱导损伤阈值（LIDT）较低，限制了它们在高功率环境中的性能。具有可忽略能量吸收的介电材料本身具有高LIDT。1995年，Perry等人 [95] 引入了用于CPA系统的全介质衍射光栅的概念。这些MDG由高反射（HR）涂层和光栅结构组成，平衡了高通带效率和最小化退偏。与金属光栅相比，介质光栅具有更高的热容量、更高的效率和更强的抗激光损伤能力，使其成为高功率激光系统的理想选择。后续研究，如Wang等人 [96] 的研究，探索了使用HfO₂和SiO₂等材料的MDG设计，并在宽带应用中实现了超过97.5%的衍射效率。主要重点是通过优化结构参数来提高带宽和DE。在MDG中插入金属层是一种有前景的解决方案，结合了宽带宽和高LIDT。金属MDG可将脉冲持续时间压缩至飞秒范围，从而实现100甚至200 nm的脉冲带宽 [96–98]。然而，由于机械应力的原因，对其制造技术的进一步研究仍在进行中。
面向独特功能的超表面
超表面凭借其多维设计自由度，能够精确控制振幅、波前和偏振分布，从而促进光学器件和系统的平面化、小型化和集成化。这一能力已引起全球广泛关注。然而，超表面通常仅在单一波长或窄带宽内实现高效率，当偏离设计波长时，其效率会迅速下降。然而，多层膜具有强大的振幅控制能力，使其成为需要光谱截止的应用的理想选择。通过将多层膜与超表面耦合形成准三维微结构，可以在更宽的范围内实现高效率。在过去的几十年里，超表面和多层超表面的逐步研究显著扩展了激光涂层的应用领域，使其成为先进光学技术的有前景的工具。
光束整形
利用冲击波压缩轻元素颗粒在材料科学中具有广泛意义。通过将激光脉冲整形为同心环并会聚聚焦，激发效率可达 10⁴ GPa/J，这使得台式激光放大器系统能够取代昂贵的大型设施。研究表明，同步和叠加多个会聚冲击波可以产生比单个源高出 20 倍以上的压力。为此，光束需要被整形并聚焦为微米尺度的同心环，而传统光学器件因其较低的激光诱导损伤阈值（LIDT）和毫米级分辨率而难以实现。
为了解决这一限制，Kai 等人 [99] 利用了一种“死星”腔，该腔采用四镜循环设计，其中最后一面镜子是部分反射镜（PR）。PR 允许部分激光输入射出，并将反射光束水平偏移以进行另一次往返，从而产生 N 个水平间隔脉冲的输出。该光束阵列通过单个光学相位物体在样品表面转换为多个同心环（图4a）。超表面包含了焦距为 20 mm 的折射透镜的光学相位，以将光束聚焦到样品表面的公共光学中心。通过调整透射系数，在环中实现了所需的通量分布。应用了 LIDT 为 1.1 J/cm² 的介质超表面，它取代了传统光学器件，并生成了具有出色重复性和效率的原始高能量激光环，从而推进了精确可控地产生高冲击压力的能力。这种使用介质超表面和“死星”腔的创新方法展示了在精确控制下实现高压冲击波的重大进展，从而为超表面在高功率激光应用中的未来发展指明了一个有前景的方向。
光束合束/分束
利特罗衍射是衍射光学中控制光波的基本机制。当光以利特罗角入射到光栅上时，负一级衍射光与入射方向对齐，使其成为一种有效的后向反射器。该技术已被广泛研究并应用于各种光学系统。此外，宽带利特罗衍射对于微型光谱仪、光通信、脉冲整形和激光光谱合成等应用至关重要。然而，利特罗光栅（如金属闪耀光栅和多介质衍射光栅（MDGs））的性能受到其低宽带效率和显著偏振依赖性的限制。
Dong 等人 [17] 通过定义实现单波长消偏振高效率所需的物理条件，解决了这些挑战。他们证明，当利特罗入射下光栅层中两个布拉格模式之间的相位差为 π 时，可以同时满足两种偏振态（图4b）。此外，通过将布拉格模式相位差的宽带色散调整为0，他们确保了相位差在宽带宽内保持为 π 的常数，从而实现高效率的宽带消偏振。基于这一原理，他们提出了一种准三维微结构，该结构将一维全介质多层膜与二维自由形状超表面相结合。这种微结构提供了控制结构内布拉格模式相位差和相位色散的自由度。通过对微结构形状进行拓扑优化，在 1030–1090 nm 波长范围内实现了效率超过 99% 的完美利特罗衍射和宽带消偏振。采用电子束蒸发（EBE）和离子辅助沉积（IAD）技术制备了多层膜，并通过电子束直写结合原子层沉积（ALD）制备了超表面。所得到的准三维多层超表面展示了高达 98% 的非偏振宽带效率，从而有效克服了“宽带效率”瓶颈。这一进展预计将显著促进基于光学超表面的激光光谱合成的发展。
光束偏转
反常反射是通过超表面控制光波的基本技术，并作为光谱仪和激光雷达系统中光束扫描等各种先进应用的基础。目前，光学超表面器件的反常反射效率通常低于90%，这达不到高性能激光系统所需的效率（> 99%）。这迫切需要推进对反常偏转效率的科学理解，并开发创新方法以实现光学频率下的完美反常偏转。
图4 超表面在高功率激光系统中的潜在应用。a 通过 TiO₂ 纳米柱进行高功率激光束整形，产生中心无可见杂散热斑的激光环 [99]。b 由 HfO₂ 和 SiO₂ 构成的宽带消偏振准三维微结构，具有用于光束合束的完美利特罗衍射 [17]。c 由全介质准三维微结构构成的完美反常反射器，用于光束扫描 [100]。
历史上，对反常反射效率的科学理解经历了两个主要阶段。最初，使用相位梯度来控制反射光束的方向。然而，仅控制相位梯度不足以实现约 100% 的期望效率。最近的研究表明，必须同时调控相位和振幅才能实现完美的反常反射。特别是，调控振幅需要在超表面的不同区域引入增益和损耗，这给光学超表面的设计带来了新的挑战。
He 等人 [100] 通过定义完美反常反射所需的能流分布来应对这一挑战。他们提出了一种新的准三维亚波长结构，该结构在匹配一阶项的同时抑制了二阶能流项。该结构有效地将入射光耦合到超表面内的布洛赫波，并通过间隔层传输波。通过调整多层膜内的反射振幅和相位，控制布洛赫波和透射波产生的能流分布，以实现完美反常反射所需的能流。
例如，他们设计了一种结构，在正入射下实现 40° 的完美反常反射。该设计以梯度超表面和高反射膜为起点。通过微调多层膜的相位响应，实现了完美反常反射所需的能流分布。最终的准三维亚波长结构由多层膜和超表面组成，在 1550 nm 波长处实现了超过 99% 的反常反射效率。超表面采用磁控溅射和电子束直写技术制备，并对所得到的准三维波长尺度器件（图4c）进行了测试，其反常反射效率达到 98%。实验与理论设计之间的高度一致性验证了制造和测试过程的准确性和可靠性。此外，他们还介绍了偏振无关和偏振选择性的反常反射器件设计，突显了准三维波长结构在先进光学系统中的巨大潜力和高效控制能力。
超表面作为新一代光学器件，能够在亚波长尺度上实现近场和远场波前调控，自不到十年前问世以来便引起了广泛关注。我们强调了它们在高效率激光光束整形、合束/分束和偏转中的潜在应用。具体的设计策略，如具有线性相位梯度的硅交叉谐振器 [101]，有助于实现偏振无关的光束偏转，而具有双折射和旋转角度的超原子则提供对光学振幅和相位的完全独立控制 [102]。尽管具有潜力，但将超表面集成到高功率激光系统中仍然具有挑战性。关键要求包括实现高效率、高激光诱导损伤阈值（LIDT）和大孔径，以满足实际应用的需求。
提高抗激光性能的方法
光学涂层中的激光损伤长期以来一直是高功率激光系统的主要限制因素。数十年来对损伤机理的研究已经认识到，部分可恢复的损伤前退化、初始损伤和损伤增长与三个因素密切相关：电场强度（EFI）、光学涂层内部的缺陷以及涂层材料的带隙。大量研究探索了通过解决这些因素来提高抗激光性能的策略。
结构优化
已经确定，这些涂层中最薄弱的区域是表面、界面和微结构脊线。降低这些关键位置的电场强度（EFI）可以显著提高激光诱导损伤阈值（LIDT）。
多层膜中最高的电场强度（EFI）通常出现在最顶层界面和结瘤内部。Zhu 等人 [86] 为 1064 nm 设计了四种 HfO₂/SiO₂ 布鲁斯特偏振器，并比较了它们的 EFI、吸收和激光诱导损伤阈值（LIDT）。对于 P 偏振和 S 偏振光，峰值 EFI 越低且最大 EFI 层离空气越远，LIDT 就越高。当缺陷和微结构的几何尺度与入射光波长相当时，电场增强变得更为显著。对两种宽带低色散（BBLD）反射镜的 EFI 模拟和损伤形貌分析表明，结瘤在结瘤与周围涂层之间的边界中部增强了光强，这使得结瘤能够绕过保护性外层并到达脆弱层，从而导致 LIDT 大幅降低 [103]。多介质衍射光栅（MDGs）的实验结果一致表明损伤点与 EFI 峰值之间存在强相关性。Kong 等人 [104] 提出使用涉及光电离和雪崩电离的电子产生模型，基于光栅脊的平均 EFI 来计算理论 LIDT。Liu 等人 [105] 将此与涉及晶格温度场瞬态分布的非线性电离模型相结合，来计算 MDG 的 LIDT。LIDT 的模型预测与已报道的实验数据合理吻合。此外，电子密度模拟结果表明，在激光照射下，光栅柱内折射率的虚部显著增强。这导致激光能量的强烈吸收，最终对结构造成永久性损伤 [106]。
由于低折射率材料通常比高折射率材料具有更大的带隙，将电场强度（EFI）峰值置于低折射率层内可以提高整体的抗激光损伤能力（图5a）[107]。Bellum 等人 [109] 报道了一种旨在降低高折射率材料中 EFI 的 TiO₂/SiO₂ 宽带低色散（BBLD）反射镜。该反射镜在 S 偏振和 P 偏振场景下均表现良好，且在亚纳秒和飞秒脉冲下的激光损伤测试显示出改进的激光诱导损伤阈值（LIDT）。Willemsen 等人 [107] 还证明，用纳米层压序列或具有更大带隙的三元复合层替换 EFI 最高的二元 Ta₂O₅ 层，可将最大场强分别降低 190% 和 200%，从而进一步提高 LIDT。对于经历意外强烈非线性响应的色散多层介质薄膜（MDFs），Razskazovskaya 等人 [110] 和 Gui 等人 [111] 证明，将高折射率（H）层置于弱电场中、低折射率（L）层置于强电场中可以抑制非线性吸收和温升。通过修改光的聚焦和穿透行为，可以调整结瘤缺陷内的 EFI 分布，并且这已应用于多层膜。Cheng 等人 [112,113] 设计了一种广角反射 HfO₂/SiO₂ 薄膜，其对 P 偏振和 S 偏振光的反射角带宽宽于结瘤缺陷的典型入射角。这种宽带结构阻止了光穿透结瘤缺陷所在的反射层，从而显著降低了电场增强效应（图5b）。与传统四分之一波长 HfO₂/SiO₂ 薄膜相比，该设计使 EFI 降低了 75%，并使 LIDT 几乎翻倍。此外，Ristau 等人 [51] 和 Khabbazi Oskouei 等人 [114] 证明降低 EFI 可以限制三次谐波产生（THG）。
图5 最小化电场强度（EFI）和提高激光诱导损伤阈值（LIDT）的结构优化。a 用大带隙材料替换小带隙层 [107]。b 通过宽带结构改变光穿透行为。c 纳米结构（NS）的损伤形貌 [108]。经 [108] 许可转载，©美国光学学会。
在微结构中调整电场强度（EFI）比在多层膜中调整要复杂得多。低 EFI 的优化只能在数值衍射效率（DE）计算过程中通过评价函数来实现。因此，评价函数的选择直接影响优化结果。定义评价函数的一种优选方法是使用 EFI 对 DE 进行归一化，从而平衡性能和抗损伤能力，例如对于单波长，MF = η₁ / E₁² [115,116]；对于宽带，MF = (1/N) Σ(λᵢ) [DE(λᵢ) / E_max²(λᵢ)]；对于宽带优化中 DE 和 EFI 同等考虑，MF = (1/N) Σ(λᵢ) [1 − DE₋₁R(λᵢ) + E_max(λᵢ)]；以及对于宽带消偏振，MF{f, d, h₁, h₂} = { (1/N) Σ(λᵢ) [ (λᵢ/4 − (Δn₁ᵀ M h₁ + Δn₂ᵀ M h₂))² + (λᵢ/2 − (Δn₁ᵀ E h₁ + Δn₂ᵀ E h₂))² ] }¹/²。尽管这些评价函数都合理、高效且全面，但公式中固有地体现了 EFI 和 DE 之间的折衷，并且它们高度依赖于通过时域有限差分（FDTD）或严格耦合波分析（RCWA）进行全电场计算。然而，这些方法的计算量很大，特别是对于多维微结构。需要降维和降阶算法来更有效地优化电场，这是进一步探索的关键领域。
微结构的概念通过改变其几何特性，为调整激光诱导损伤阈值（LIDT）引入了新的维度。通过掠射角沉积（GAD）制备的多孔/无孔全玻璃多层膜以及通过纳米颗粒（NP）结合刻蚀制备的全玻璃纳米结构（NS），展示了创建与衬底一体的可扩展、可设计涂层的能力；因此，它们的 LIDT 接近体玻璃的 LIDT。多孔/无孔全玻璃高反射（HR）涂层即使在高通量 65 J/cm²（测量系统可用的最高通量）[10] 下，损伤概率也不超过 20%；全玻璃 NS 减反射（AR）涂层在样品清洁后 LIDT 为 39 J/cm²，在激光调节后为 74 J/cm² [108]，这表明了其出色的潜在本征 LIDT 值。这些技术可实现大规模应用，使其适用于米级光学器件。此外，NS 表面的激光损伤表现出非增长型失效模式，即初始损伤点不会进一步扩展，如图5c [108] 所示，从而降低了高功率激光系统中光学器件管理的需求。此外，NS 能够控制除光学性能之外的额外表面特性，例如减少微粒附着、提高耐水性、机械耐久性、能够承受超声处理等清洁过程，并为在恶劣环境中运行的激光器提供实际优势。
材料工程
随着层沉积和后处理技术的进步，以及对缺陷诱导损伤机理的更深入理解，材料工程的概念在改进高功率激光应用的光学涂层方面日益突出。通过精确工程化定制材料特性，已涌现出多种策略来改善带隙、减轻缺陷影响并增强光学涂层在苛刻激光环境中的机械稳定性。
由于薄膜快速生长导致的非化学计量比和结构缺陷往往会产生带隙内态，从而增加吸收并降低激光诱导损伤阈值（LIDT）[67,119]。高温退火已被证明能有效改善化学计量比和结构均匀性。Pu 等人 [120] 研究了 Ta₂O₅/SiO₂ 滤光片的退火，并揭示退火薄膜中由亚化学计量比引起的吸收点数量相较于沉积态薄膜有所减少，当吸收在 600 °C 时从 39.99 ppm 降低至 7.2 ppm（降低五倍）时，LIDT 可从 59.32 J/cm² 提高近三倍至 158.87 J/cm²。Lin 等人 [121] 在不同温度下于氮气和氧气气氛中对等离子体增强原子层沉积（PEALD）HfO₂ 涂层进行退火，并研究了对涂层性能的影响。当 HfO₂ 涂层在氧气气氛中退火时，碳酸盐和胺类分解。涂层中的 C 和 N 含量减少甚至消失。富氧环境能够消除涂层中的氧缺陷。在氧气气氛中于 700 °C 退火的 PEALD HfO₂ 涂层的 LIDT 是沉积态涂层的近三倍。然而，这一过程也可能引起结晶或再结晶（图6a）[122]，改变薄膜体积并引入内应力，从而导致裂纹并影响性能。
人工纳米复合材料已被提出作为解决天然材料退火和结晶之间矛盾需求的方案。这些工程化材料可以被设计为在高温过程（如退火）中保持稳定性而不发生结晶，这对于增强高功率激光系统中光学涂层的耐久性和性能至关重要。Niu 等人 [123] 提出采用共蒸发技术将 SiO₂ 掺杂到 HfO₂ 薄膜中，这不仅有效抑制了结晶并降低了吸收，还拓宽了带隙并提高了涂层的本征损伤阈值（图6b）。这些薄膜的透射光谱表明，Hf₀.₇Si₀.₃O₂ 混合薄膜的短波截止边显著超过纯 HfO₂，这表明了更宽的带隙。此外，SiO₂ 含量与带隙之间的关系表明，随着 SiO₂ 含量的增加，带隙也随之增加，Hf₀.₆₀Si₀.₄₀O₂ 实现了 6.01 eV 的最大带隙。这些发现凸显了 Hf₁₋ₓSiₓO₂ 薄膜在改善带隙和激光诱导损伤阈值（LIDT）方面的潜力。Willemsen 等人 [107] 采用离子束溅射（IBS）制备了 HfAlOₓ 和 TaSiOₓ 混合材料，在纳秒和皮秒激光下的损伤阈值分别提高了 188% 和 20%。Shi 等人 [127] 使用高温退火降低了 Hf₀.₅Al₀.₅Oₓ 中的氧空位密度，从而在不发生结晶的情况下进一步将 LIDT 提高了 20%。
层压是另一种在退火后保持非晶结构的有效策略。将具有低吸收和低折射率的非晶材料薄层周期性地插入高折射率材料中，形成层压薄膜。这种结构抑制了结晶，改变了微观结构，降低了吸收，并拓宽了带隙。层压薄膜中交替的高-低（HL）折射率层不仅易于建模和制备，而且成本效益高，引起了广泛关注。研究表明，像 TiO₂ 这类材料的更薄子层会提高结晶温度，使薄膜不易结晶，从而即使在退火后也能保持非晶态 [128]。然而，在纳米复合材料和层压材料中，这些改性具有固有的局限性，无法超越体材料的基本特性；例如，折射率和吸收边能量本质上是相互关联的。量子化纳米层压材料（QNL）于 2017 年首次提出 [129]，代表了一类新的工程化材料。在 QNL 中，高折射率和低折射率材料的薄亚纳米层被堆叠在一起，产生量子化效应，如图6c所示。这些效应使得折射率和带隙能够独立移动，这与经典介电材料不同。已有使用原子层沉积（ALD）[124]、离子束溅射（IBS）[124] 和磁控溅射 [130] 成功制备 QNL 的报道。
伴随着这些发展，渐变界面也受到了广泛关注，它们正被探索作为传统离散材料层堆叠（产生介电常数的二元阶跃变化）的替代方案（图6d）。Jupé 等人 [125] 的激光损伤测试表明，使用 TiO₂ 和 SiO₂ 的高反射（HR）Rugate 滤光片在 1064 nm 纳秒激光下的激光诱导损伤阈值（LIDT）比标准组件提高了十倍以上，尽管 Rugate 滤光片表现出更高的电场强度（EFI）和吸收值。此外，对使用离子束溅射沉积的 Ta₂O₅ 和 SiO₂ 制备的 Rugate 滤光片与 HL 四分之一波长堆叠 HR 涂层在 1064 nm 下的比较 [131] 表明，尽管初始 LIDT 或损伤形貌没有显著差异，但 Rugate 滤光片在更高激光功率下表现出更强的抗分层能力。Zeng 等人 [126] 指出，梯度结构内的机械应力和模拟温升可能有助于提高抗激光性能，如图6e所示。他们还开发了一种二向色镜，在叠加夹层结构中使用 Al₂O₃-HfO₂ 作为高折射率（H）材料。该设计通过利用纳米复合/纳米层压技术和梯度结构，有效地使 LIDT 翻倍。他们随后关于基于混合物的设计策略的工作 [132] 显示 LIDT 提高了 2–2.6 倍。未来的趋势表明，将梯度层与多目标优化策略相结合，结合界面 EFI，或利用纳米层压材料来推理论光学间隙极限，可能进一步提高涂层的 LIDT。
图6 材料工程策略。a 退火以降低吸收，但因结晶而增加应力 [122]。b 层压以避免高温退火下的结晶 [123]。c 纳米层压材料及其面向高激光诱导损伤阈值（LIDT）的理论光学特性 [124]。d 具有改进的电场强度（EFI）和 LIDT 的 Rugate 滤光片 [125]。e 类三明治结构以提高机械和热耐久性 [126]。
尽管渐变界面相较于传统层堆叠在激光诱导损伤阈值（LIDT）上的提升是明显的，但由于无法将材料特性与设计效应完全分离，这种效应的确切大小仍不清楚。需要进一步研究以解决渐变界面中的吸收和缺陷问题，从而实现优化性能。
缺陷消除
光学涂层的制备涉及衬底抛光、多层膜沉积、光刻胶掩模制备和反应离子束刻蚀（RIBE）等多个过程。这些步骤可能引入缺陷，如表面、亚表面和多层膜内的缺陷、光刻胶残留以及刻蚀引起的损伤（包括化学键破坏和再沉积）。虽然抛光划痕和残留的表面/亚表面损伤可以通过优化清洁和抛光来最小化，特别是对于大孔径应用，但最常见的问题包括结瘤和纳米吸收中心。
尽管结瘤在低通量下被喷射，但喷射形成的坑在高通量下非常稳定 [58]。因此，使用低通量激光对光学涂层进行调节是消除结瘤的有效方法。该方法已成功应用于高反射（HR）涂层和偏振器。最近，Shuai 等人 [133] 将纳秒激光调节集成到多层介质薄膜（MDFs）上光栅的各个制造阶段和最终光栅产品中，与未处理的结瘤缺陷相比，将结瘤喷射坑的皮秒激光诱导损伤阈值（LIDT）提高了 40%，并且保留了周围的光栅结构，从而避免了由结瘤缺陷引起的额外损耗。然而，激光调节会导致等离子体烧伤或结瘤喷射坑，因此需要在光学性能和 LIDT 之间进行权衡。McCauley 等人 [134] 研究了离子刻蚀衬底以减轻结瘤影响的适用性。虽然该过程有效去除了结瘤，但也在衬底表面引入了小缺陷，以及在去除处有明显的“阴影”，并且结瘤周围的多层膜常常被剥离。尽管 LIDT 测量显示衬底耐久性没有显著降低，但坑点导致了光学损耗的增加。
结瘤平面化已被提出用于在保持表面平整度的同时消除结瘤。该方法对结瘤进行平滑处理而非去除，防止表面粗糙度并最小化散射损耗，从而在减轻结瘤影响的同时保持光学质量。Stolz 等人 [135] 在沉积过程中应用离子束刻蚀来减小结瘤的尺寸，如图7a示意所示。在双离子束溅射（IBS）系统中，主离子源沉积薄膜，而垂直于衬底的辅助离子源进行刻蚀。通过调节束压和电流，可以在斜入射角（45-50°）下提高刻蚀速率，其速度是垂直入射时的两倍。该方法减小了结瘤的尺寸，从而获得更光滑的表面。激光测试后，在 10 ns 脉冲激光照射下实现了超过 100 J/cm² 的激光诱导损伤阈值（LIDT），这几乎是 20 倍的提升。Cheng 等人 [138] 在实际条件下使用球形种子源对结瘤平坦化进行了系统研究。使用直径为 0.5、1、1.5、2 和 3 μm 的种子以及 1.25 和 2.5 μm 的 SiO₂ 平坦化层的测试表明，1 μm 的种子源被完全平坦化，形成光滑表面。较大的种子仅被部分平坦化，但结瘤尺寸显著减小。该技术有效地最小化了结瘤尺寸并降低了界面相关性，使得能够沉积高质量反射镜涂层，尽管它主要适用于 IBS。
基于离子束溅射（IBS）的平面化在层沉积过程中使结瘤变平，而另一种平面化方法则侧重于后抛光。Liu 等人 [136] 提出了一种结瘤圆顶去除（NDR）策略，如图7a所示，其中将无水乙醇施加到抛光垫上，在抛光垫和涂层之间形成均匀的乙醇膜。当涂层在抛光垫上旋转时，表面之间增加的毛细力充当法向载荷，通过摩擦逐渐抛光结瘤圆顶。对于不含人工结瘤和含直径为 1 μm 人工结瘤种子的涂层，该方法分别将紫外反射镜涂层的激光诱导损伤阈值（LIDT）提高了约 1.9 倍和 2.2 倍。与结瘤平面化相比，NDR 方法在不同涂层技术中提供了更大的灵活性。然而，使用抛光溶液会带来渗入多孔结构的风险，可能导致腐蚀。这意味着 NDR 方法可能不适用于所有类型的光学涂层。
纳米吸收中心的尺寸超出了大多数常规检测方法（原子力显微镜（AFM）、轮廓仪等）的检测限，其影响严重，特别是对于短波长，如前所述。化学清洗，包括干法和湿法工艺，如等离子体清洗和RCA清洗，被最广泛地用于去除光学涂层上的纳米级吸收缺陷。湿法化学清洗使用特定的清洗溶液（如食人鱼溶液 [139]）和静电排斥来去除污染物，成本效益高，并广泛应用于半导体行业。Liu 等人 [137] 研究了超表面的超声和氧等离子体清洗方法（图7b）。最佳清洗方法将激光诱导损伤阈值（LIDT）显著提高到 56 J/cm²，这与裸熔融石英的 LIDT 相当。其他清洗技术如等离子体清洗 [140] 和气相化学清洗也已得到应用。然而，湿法清洗会引入新的渗透性杂质，而干法清洗可能增加表面粗糙度。此外，干法刻蚀常常在微结构脊线处引入纳米吸收中心，而这些位置也正是电场强度（EFI）最高的位置。因此，它们对 LIDT 的影响被放大。为了解决这些问题，Xie 等人 [117] 提出了一种多介质衍射光栅（MDG）的增材制造策略，该策略集成了激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积（ALD）和反应离子束刻蚀（RIBE）（图7c）。该 MDG 实现了接近 90° 的侧壁角度，降低了 EFI 增强，并防止了脊线处的纳米吸收缺陷。此外，ALD 过程中的自限性表面反应确保了化学计量比和原子级厚度的精确控制，最小化了高深宽比结构的结构退化和吸收缺陷，并进一步提高了效率。
总之，光学涂层中缺陷的控制和缓解对于实现高激光诱导损伤阈值（LIDT）和保持光学性能至关重要。能够消除划痕、坑点、结瘤和纳米吸收中心的优化清洁和抛光技术仍然具有挑战性。结瘤平面化、结瘤圆顶去除（NDR）和增材制造的进展在最小化这些缺陷并显著改善光学涂层表面质量和 LIDT 方面显示出巨大前景。持续改进这些技术及其组合对于进一步提高涂层在高功率激光应用中的耐久性和效率至关重要。
图7 消除结瘤和纳米吸收中心的策略。a 基于离子束溅射（IBS）的结瘤平面化和结瘤圆顶去除（NDR）工艺 [136]。b 超表面的超声清洗和氧等离子体清洗 [137]。c 多介质衍射光栅（MDGs）的增材制造策略 [117]。
挑战与机遇
多目标优化
非周期多层膜和超表面表现出卓越的光学性能，然而，由于需要优化的参数数量大幅增加，它们显著增加了设计复杂性。例如，Tikhonravov 等人 [141,142] 开发了基于针式优化技术（图8a）的光学涂层设计软件，其评价函数包含复杂的光谱量。最近，遗传算法 [145]、粒子群优化 [146] 和蚁群算法 [147] 等优化方法已被应用于该领域，如图8b所示。类似地，Lininger 等人 [148] 使用卷积神经网络（深度学习的一个子集）来解决包含薄膜堆叠的超材料的逆向设计问题，展示了它们探索广阔设计空间并映射超材料结构与光谱特性之间关系的能力。Han [143] 引入了一种创新的逆向设计方法，该方法将反向传播应用于网络化传输矩阵（图8c），利用梯度优化层厚度而无需额外的学习过程，从而显著减少了计算时间并提高了薄膜设计的效率，这强调了需要更先进的、具有增强搜索能力的优化框架。能够实现降维的分析方法，如 He 等人 [100] 提出的用于异常偏转器件（图8d）的、使用本征模展开和散射矩阵模式转移的方法，也得到了广泛研究。然而，这些算法中的许多假设薄膜材料不具有光学色散，导致实际宽带效率下降。对于某些应用，还必须考虑电场、材料带隙和消光系数。
图8 光学涂层的逆向设计算法。a 针式方法。b 粒子群优化和蚁群算法。c 具有反向传播和梯度下降的神经网络算法 [143]。d 本征模展开和散射矩阵模式转移方法 [100]。e 具有马尔可夫决策过程的深度 Q 学习 [144]。
处理众多参数将优化问题从多参数单输出挑战转变为多参数多输出场景，传统算法在此情况下无法满足要求。在这种情况下，在评价函数中对每个输出参数进行加权至关重要。这种复杂性已越来越多地通过人工智能（AI）来解决。强化学习（RL）最近已被应用于多个物理问题，在光学涂层的多目标优化方面具有前景。通过将整个光学薄膜优化过程视为马尔可夫决策过程，RL 可以解决多目标挑战，并可扩展到从多层膜到复杂微结构（图8e）[144]。它已成功应用于优化选择性太阳能吸收器厚度，并有望在高功率激光涂层领域的多目标优化中得到更广泛的应用。
面向应用的先进制造
光学多层膜和微结构的制造技术在平衡精度、可扩展性和特定应用需求方面面临挑战。在高功率激光系统中，实现低光学损耗和高激光诱导损伤阈值（LIDT）对于维持效率、成像质量和系统稳定性至关重要。沉积技术的选择取决于应用需求，并且通常需要多种方法的组合。
电子束蒸发（EBE）可将层厚控制在几纳米，并因其高产量和大孔径制造能力而被广泛使用。然而，EBE 生产的薄膜具有柱状微结构和低密度，这对其机械性能产生不利影响。超低光学损耗已成为激光陀螺仪 [149,150]、引力波天文台 [151] 和光学钟 [152] 等应用的关键要求。离子束溅射（IBS）使现代涂层能够实现 ppm 量级的吸收水平，具有纳米级厚度控制、低于 0.05 nm 的表面粗糙度和高保形性，使其适用于超低损耗多层膜、滤光片和色散镜等高质量涂层。尽管它们在 633 nm 波长下的总积分散射结果仍在 2 × 10⁻⁶ 至 5 × 10⁻⁶ 的范围内，这表明表面粗糙度的进一步降低正接近其极限。需要重点关注降低界面散射损耗 [153–155]。基于原理和模型 [156–158] 已开发出相应技术。Trost 等人 [159] 和 Zhang 等人 [160] 证明，在斜角沉积中，界面的互相关性降低，从而减少了散射。此外，Peverini 等人 [161] 报道，在 IBS 之后对每个新形成的层进行刻蚀可以改变表面形貌和功率谱密度（PSD）趋势，这表明将 IBS 与刻蚀相结合可以有效消除界面相关性，从而为进一步降低界面散射提供了新的可能性。对于高激光诱导损伤阈值（LIDT）需求，IBS 过程中缺陷控制的持续进步，以及对缺陷和微结构中薄膜生长和散射的更深入理解，正在推动 IBS 的改进。
化学沉积方法在处理复杂几何形状和大孔径生产方面表现出色。通过化学气相沉积（CVD）生产的薄膜具有三维网络结构，非化学计量比缺陷较少，因此具有更高的激光诱导损伤阈值（LIDT）[162]。然而，均匀性和精确厚度的问题限制了它们的使用。原子层沉积（ALD）以原子级精度和保形性解决了这些挑战，非常适合保护涂层和微结构的增材制造 [163]；然而，它在控制粗糙度方面面临困难，这是由于厚层中纳米晶体的形成 [164] 以及生长速率缓慢所致。此外，ALD 层的生长速率、折射率、密度、结晶比和 LIDT 高度依赖于前驱体类型和反应温度，并随层厚变化 [165–167]。溶胶-凝胶法已使用了三十多年 [168]，可生产大孔径高 LIDT 的减反射（AR）涂层。Zhang 等人 [162] 报道了通过溶胶-凝胶法制备的 HfO₂ 薄膜，在 1064 nm、12 ns 条件下 LIDT 为 31.6 J/cm²，超过了电子束蒸发（EB）[169] 和离子束溅射（IBS）[170] 制备的薄膜。最近，紫外控制的溶胶-凝胶方法显示出无需光刻胶即可制造微米级微结构的前景，提供了一种低成本和可扩展的方法 [171]，在大孔径应用中显示出潜力。然而，厚度控制精度差、机械强度弱和污染物吸附是长期应用中必须解决的挑战。先进的沉积技术有望通过利用其独特优势来改善材料性能。对混合材料化学计量比的精确控制是一个常见问题，需要全面了解各层的生长特性，并进行仔细的原位监测和层厚控制。
微结构制造可分为减材制造和增材制造方法。用于减反射（AR）涂层的纳米结构通常采用减材方法生产，如自组装和刻蚀。这些工艺不需要复杂的光刻，且具有低成本、可扩展和高通量的特点，使其适用于大孔径，尽管它们提供的设计灵活性有限。超表面的减材制造也已被广泛报道，通常涉及光刻、层沉积和反应离子刻蚀。这种方法能够对孤立特征和周期结构 [172,173] 实现分辨率低于 10 nm 的精确图案化，使其适用于先进成像和痕量探测系统。
相比之下，增材制造使用层沉积而非刻蚀来转移图案。该技术提供了更好的深宽比和更少的刻蚀缺陷，特别是在脊线处，使其成为高激光诱导损伤阈值（LIDT）应用的理想选择 [117]。超表面的增材工艺通常涉及光刻、化学气相沉积（CVD）和刻蚀。尽管广泛用于纳米电子学、存储和成像领域，但商业挑战仍然存在，例如提高吞吐量、减少缺陷和确保精确的图案对准。此外，增材制造在高功率激光系统中的应用受到限制，因为在大面积（> 50 mm²）上实现无缺陷亚波长结构的要求极为严格，这对于承受高能量密度和增强的电场强度（EFI）是必要的。
先进检测技术
缺陷，特别是那些位于边界和靠近顶表面的缺陷，如多层膜内部的结瘤、结构侧壁和顶部的光刻胶残留，以及刻蚀引起的化学键破坏，都与激光诱导损伤有关。实现全程工艺控制依赖于精确检测，而这在使用常规方法时仍然是一个挑战。
红外光谱（IR）和拉曼光谱（RS）是提供分子信息的强大技术；然而，它们因吸收对比度和空间分辨率低而存在局限性。基于原子力显微镜（AFM）的成像技术的最新进展，如 AFM-IR（图9a）[174]、扫描近场红外显微镜（图9b）[175,176] 和针尖增强拉曼光谱（TERS）[178]，在非破坏性模式下以高信噪比解决这些检测挑战方面显示出前景。第一种技术检测样品吸收的光，并对材料内特定深度的红外辐射具有灵敏度。其吸收光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）紧密吻合，且不受厚度相关的峰位移影响，使得使用 AFM-IR 数据进行化学分析和成分分布图绘制变得直接。相比之下，另外两种技术侧重于散射光，这主要反映表面水平的相互作用。在这些方法中，信号受到针尖、样品和下方衬底复杂光学特性的影响。
表1 沉积技术及其在高功率激光应用中的前景比较。
图9 具有缺陷灵敏度的先进检测技术。a 共振增强原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）[174]。b 扫描近场红外显微镜 [175,176]。c 角分辨散射（ARS）三维映射 [177]。
尽管结瘤具有可检测的几何尺度，但其形貌融入背景中，且表面形貌检测的覆盖范围有限，使得孤立缺陷的识别具有挑战性 [179]。研究表明，即使在高反射（HR）涂层中每平方毫米一个结瘤，也可能导致两倍或三倍的散射损耗，这表明基于散射的技术对结瘤敏感。此外，Munser 等人 [180] 提出角分辨散射（ARS）对亚表面相关差异的敏感性。因此，ARS 映射（图9c）[177,179–182] 提供了一种快速、非破坏性模式检测结瘤缺陷和亚表面损伤的潜力。此外，衬底原本的纹理（来自研磨和抛光等工艺）与涂层生长模式相结合，常常导致具有缺陷的各向异性表面和界面形貌。这些特征也可以使用 ARS 技术灵敏地测量。
总结
光学涂层在高功率激光系统中发挥着至关重要的作用，促进主激光器、对准激光器和受激布里渊散射的各种功能。微结构为传统减反射（AR）、高反射（HR）和带通滤光片提供了替代方案，增加了新功能，如取代脉冲压缩光栅（PCGs）和衍射光学元件（DOEs），同时提高了系统紧凑性，特别是在星载和机载应用中。
光调制和计算科学的进步使得灵活的设计过程成为可能，将传统的光学优势（如光谱性能、偏振和光束整形）与误差容限、非线性效应、电场强度（EFI）分布和制造可行性等考虑因素相结合。这些增强功能激发了对多样化评价函数、多目标优化策略以及结合物理、分析和实验结果的设计模型的需求。
抗激光性能仍然是输出功率的关键限制因素，这促使了对损伤机理和改进涂层方法的研究。材料方面的进步，如后退火、混合和层压，旨在调节带隙并提高激光诱导损伤阈值（LIDT）。进一步的研究集中于减少多层膜界面、微结构脊线和缺陷易发区等关键区域的损伤。时域有限差分（FDTD）和严格耦合波分析（RCWA）等仿真工具已用于计算缺陷周围的电场分布，揭示了电场增强如何导致界面和结瘤处的损伤。广角高反射（HR）涂层、激光调节、平面化和增材制造等技术应运而生以缓解这些挑战。包括等效介质纳米结构在内的新方法旨在使涂层的 LIDT 与体材料相当。
尽管取得了进展，但由于制造误差，实际性能往往达不到理论设计。非四分之一波长多层膜和亚波长微结构在制造过程中面临厚度监控和结构完整性方面的挑战。这些问题凸显了需要兼顾制造可行性、光学性能和抗激光性能的设计需求。随着制造技术的快速发展，多层膜、纳米结构和光栅现已可用于工业和商业应用。尽管它们在纳米电子学中已有商业应用，但由于缺陷缓解、高分辨率模板制造和精确图案对准方面的限制，用于高功率激光应用的超表面的大规模制造仍然是一个重大挑战。此外，纳米级缺陷的检测技术必须改进，因为传统方法难以识别纳米吸收中心或将亚表面缺陷与表面形貌区分开。近场纳米成像、AFM-IR 和扫描近场红外显微镜等新兴检测技术通过将 AFM 与物理化学敏感方法相结合，有望实现低于 10 nm 的分辨率。为了满足更大孔径、更低光学损耗、更高 LIDT 的需求，多目标优化的进展、层沉积的持续发展、对层生长机制更深入理解的微结构制造技术，以及结合近场和远场检测的缺陷识别进展，都需要进一步探索。
总之，解决低光学效率和有限激光负载能力的挑战，需要在设计、优化、材料工程和缺陷消除方面持续研究。准三维微结构显示出取代传统光学元件和增强激光系统性能的前景。未来的研究应侧重于完善多目标优化以及开发先进的制造和检测技术。
