超低损耗激光薄膜基础理论与关键技术研究

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超低损耗激光薄膜基础理论与关键技术研究超低损耗激光薄膜是激光陀螺器件和引力波探测科学装置中的核心技术，代表了国家高精度光学薄膜技术的水平。激光陀螺是激光捷联惯导的核心器件，而超低损耗薄膜反射镜则是激光陀螺中的核心元件，其性能直接影响到激光陀螺输出的稳定性和精度。国外对国内进行了技术封锁和产品禁运，只能通过自主创新、独立研发激光陀螺的超低损耗薄膜核心元件。

目录

技术原理、技术要点

本项目针对超低损耗激光薄膜的极限光学性能问题，深入挖掘散射损耗和吸收损耗的物理根源，探寻关键的透射损耗新机制，创新性开展了亚微米量级缺陷表面散射与界面散射的控制技术、基于薄膜设计与能带调控的吸收损耗控制技术、超低损耗激光薄膜应力双折射控制技术、低压气体放电等离子环境薄膜损伤机制与控制技术等方面研究。在系统研究散射、吸收和透射损耗的基础上，建立了从薄膜设计、基板加工、基板清洗、离子束薄膜制备技术，后处理和损耗检测等一整套的闭环工艺流程，成功研制出总损耗小于1ppm（散射损耗0.3ppm，吸收损耗0.44ppm，透射损耗0.2ppm）超低损耗激光薄膜反射镜，并用于激光陀螺系统，激光陀螺精度达到0.0008°/h。

1）在薄膜散射损耗方面

提出了薄膜表面散射、界面散射和体散射分离的新方法。开展了表面散射基础理论、基于四边形谐振腔的散射测试技术、超光滑基板加工技术、化学清洗技术等研究，加工的超光滑基片表面粗糙度达到0.3nm以下，通过表面亚微米量级污染缺陷的控制有效去除0.5μm以上的基板节瘤缺陷种子源，去除基板镀膜后的表面层，在去除表面有机污染物和污染颗粒的同时，实现表面无损伤的清洗处理，显著降低了表面散射。

2）在薄膜吸收损耗方面

提出了薄膜界面吸收和体吸收分离的新方法，发现界面吸收最大，Ta2O5薄膜体吸收次之，SiO2薄膜的体吸收可以忽略不计。开展了基于金属Ta靶和Ta2O5靶的Ta2O5薄膜制备技术研究，研究了基于金属Ta靶的Si元素掺杂实验，有效地降低了界面吸收和Ta2O5薄膜的体吸收。

3）在薄膜透射损耗方面

明确了薄膜制备误差、薄膜非均质性和应力双折射是影响透射损耗的三方面主要因素。开展了薄膜折射率和物理厚度高精度测试、拟合和制备等研究，减小了薄膜制备误差。

从2013年至今，本项目的超低损耗激光薄膜技术应用于激光陀螺器件的研制中，研究成果提供了总损耗低于6ppm的超低损耗激光薄膜元件，解决了高精度激光陀螺的总损耗和稳定性瓶颈问题，满足了我国新激光捷联惯导系统的发展需求，为我国高精度的激光测量技术发展奠定了坚实的基础，三年来创造经济产值1.28亿元，具有显著的科学价值和社会效益。