近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部在基于复合材料的皮秒反射镜研究方面取得进展。相关研究成果以“Hybrid－material－based mirror coatings for picosecond laser applications”为题，发表于Optics and Laser Technology。
皮秒脉冲激光常被用于高能量密度物理基础研究。反射镜作为皮秒激光系统的关键元件，其激光损伤阈值直接影响皮秒激光系统的输出能量。传统的皮秒激光反射镜分别采用氧化铪和氧化硅作为高、低折射率材料。近年来，包括纳米叠层和混合物在内的复合材料在提升薄膜元件的激光损伤阈值方面受到广泛关注，研究复合材料皮秒反射镜及其在不同脉宽激光辐照下的激光损伤特性具有一定的实际应用价值。
研究人员采用电子束蒸发技术制备了四种复合材料，包括氧化铪／氧化铝纳米叠层、氧化铪／氧化硅纳米叠层、氧化铪－氧化铝混合物和氧化铪－氧化硅混合物。与单一氧化铪材料相比，复合材料能够抑制结晶并降低表面粗糙度。采用上述复合材料和氧化硅材料作为高、低折射率材料，制备了四种工作波长位于1053 nm的反射镜。反射镜在不同脉宽（0．5 ps、1 ps、3 ps和8 ps）激光辐照下的损伤测试结果表明：与采用氧化铪作为高折射率材料的皮秒反射镜相比，采用复合材料作为高折射率材料的皮秒反射镜均表现出更高的激光损伤阈值。在本文研究的激光脉冲范围内，反射镜的初始激光损伤机制在3 ps附近开始发生变化。该成果对于提高皮秒激光反射镜等光学薄膜元件的性能具有重要意义。
图1． 不同反射镜的（a）AFM显微图像及RMS粗糙度，（b）激光诱导损伤概率分布（8 ps，1053 nm）
图2． 不同脉宽激光诱导损伤概率分布（a）0．5 ps，（b）1 ps和（c）3 ps；（d）激光损伤阈值随激光脉宽的变化
注：
M－H指高折射率材料为氧化铪的皮秒反射镜；
M－N1指高折射率材料为氧化铪／氧化铝纳米叠层的皮秒反射镜；
M－N2指高折射率材料为氧化铪／氧化硅纳米叠层的皮秒反射镜；
M－M1指高折射率材料为氧化铪－氧化铝混合物的皮秒反射镜；
M－M2指高折射率材料为氧化铪－氧化硅混合物的皮秒反射镜。