《大尺寸高性能激光偏振薄膜元件成套制备工艺技术及应用》

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该项目属于低维无机非金属材料领域。高性能激光薄膜元件制备技术是限制惯性约束聚变(ICF)激光、超强超短激光、空间激光、武器用激光等国防战略和国民经济高新技术领域发展的瓶颈,美国对我国实行技术封锁并禁运高性能薄膜元件。美国国家点火装置是当今世界上规模最大的ICF激光驱动装置,需要数万件高性能薄膜元件精密操控激光传输。其中,大尺寸偏振薄膜元件是用来实现四程放大、抑制寄生振荡,确保该装置输出能量和安全运行不可替代的核心元件,被认为是ICF激光装置中研制难度最高的薄膜元件。它与普克尔盒组成的光开关被誉为美国国家点火装置七大奇迹之一。

我国ICF激光装置对偏振薄膜元件的主要技术要求为:尺寸810mmx430mmx90mm(对角线达米级)、消光比≥100:1、激光损伤阈值≥14J/cm2(5ns)和高质量全频域波前。国内先期仅能制备尺寸240mmx112mmx20mm的元件,而且高消光比和激光损伤阈值难以兼顾;米级尺寸伴生的问题如全频域波前控制和膜层龟裂未予企及。在863计划、国家科技重大专项等项目十余载的持续支持下,该项目突破了基板加工、镀膜和检测相关系列关键技术,主要发明点如下:

1.揭示了偏振薄膜元件缺陷诱导激光损伤的规律,发明了并行激光预处理和光热吸收缺陷多通道测试方法,实现了缺陷三维分布的快速探测和精准定位;首次提出了缺陷“缝合”修复技术,创新发展了大尺寸多层膜渐变界面沉积技术,攻克了传统沉积技术难以避免的灾难性损伤难题,激光损伤阈值在国际同台对比测试中取得最好结果。

2.揭示了基板加工的中频误差产生机理,发明了超高精度磁流变加工方法和全口径保形光顺抛光技术,攻克了磁流变抛光的中高频误差控制难题,在实现基板全频域波前高精度控制的同时,大幅降低了对堆板的光学均匀性要求。

3.创新发展了激光偏振薄膜综合设计方法,发明了膜层厚度类分形光学监控技术和均匀性修正方法,攻克了纳米稍度膜层厚度控制难题;发明了薄膜应力在线和离线检测技术,提出了敏感层应力调控独创技术,攻克了大尺寸偏振薄膜元件膜层龟裂的国际性难题。

该项目已获授权发明专利41项,软件著作权2项,专著2本,主编SPIE文集6卷,编制行业标准3项,论文81篇。由贺贤土院士、庄松林院士、江东亮院士、祝世宁院士领衔的成果鉴定会认为:“攻克了高功率激光介质膜元件领域内这一世界性科学技术难题,为国家重大专项激光装置的技术路线选择提供了不可或缺的支撑……该项目是一项十分复杂的系统工程,成果创新性强,总体技术达到了国际先进水平,主要技术指标国际领先,打破了西方的技术封锁和高端产品禁运。”满足了我国激光聚变研究的重大战略需求,推动了我国激光薄膜和相关行业的技术进步。成果已在神光系列装置、超强超短激光装置、武器用激光等军事和民用领域得到广泛应用,并出口俄罗斯、以色列等国。近3年新增销售额11269万元,取得了显著的社会和经济效益。

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