同濟大學精密光學工程技術研究所二十年創新歷程

王占山，張 眾，程鑫彬，沈正祥，李文斌，王曉強，馬 彬，焦宏飛，張錦龍，魏澤勇，王 昆，黃秋實，蔣 勵，伊圣振，鄧 曉，頓 雄，江 濤，齊潤澤，歐 凱，施宇智，黃 迪，余 俊，顧振杰，駱文錦，董思禹，朱靜遠，謝凌云，何 濤，張 哲，盛鵬峰，鈕信尚，陳玲燕，李同保

（同濟大學物理科學與工程學院精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

2002年5 月，在李同保院士、吳翔教授、陳玲燕教授和王占山教授的倡議下，同濟大學批準成立了精密光學工程技術研究所。研究所現有教職工30余人，擁有中國工程院院士2人，國家杰出青年科學基金獲得者2人，教育部長江學者特聘教授1人，國家級青年人才、上海市領軍人才、中國科協青年托舉人才等各級各類國家和省部級人才近20人次，基本形成了年齡結構合理、專業特長互補的人才隊伍，是國家自然科學基金委員會“創新研究群體”的依托單位。

二十年來不斷追求，研究所鑄就了忠誠事業的態度，踐行了追求極致的信念，發揚了革新進取的精神，實施了協同發展的策略，凝練出“忠誠、極致、革新、協同”的研究所文化。

忠誠是正心誠意、竭盡全力。只有忠誠于自己的工作，才能無條件地付出自己寶貴的時間和精力，只有忠誠于自己的工作，才能迸發出無限的熱情和創造力，只有忠誠于自己的工作，才能成就一番事業。忠誠是一種優秀品格，更是一種態度。態度決定一切，忠誠的做事態度將會責任必擔、使命必達。

極致是造詣極深、境界極高。只有追求極致，才能秉持堅定信念、不斷自我完善，只有追求極致，才能激發個人潛能、持續超越自我，只有追求極致，才能破繭成蝶、收獲非凡的高峰體驗。極致是一種狀態，更是一種動力。追求實現極致的目標將會思考周全、愿景高遠。

革新是革除舊的，創造新的。革新不是毫無保留地開展全新研究，而是有傳承地進取創新。基于原有基礎和條件，有目標、有策略、有步驟、有針對性地選擇新的研究方向。思路決定出路，只有采取革新的研究思路，科研才能持續、健康、穩定地發展，形成穩固的科研鏈條，攀登更新、更高的科研高峰，邁上更遠、更強的探索之路。

協同不僅包括人與人之間的關系，還包括人與物、人與環境間的關系。協同是一種做事的策略，每個人都有力所不及的方面，難于獨立完成重大的科研任務，只有學會相互依靠、相互扶持、彼此幫助、取長補短，才能推動整體強化、提質增效、共同發展、共同獲益。只有時時想著協同，才能形成攻關能力強、工作效率優、綜合水平高的戰略科技力量。

研究所堅持“四個面向”的科研方針，以破解前沿科學難題、突破核心關鍵技術、服務國家重要應用為目標，形成了理論與模擬相結合、科學問題解決與關鍵技術突破相結合、基礎研究與重要應用相結合的特色。研究所逐步形成了X射線器件與系統、強激光薄膜與應用、光學納米計量與測試、微納光學與智能感知四個特色研究方向，承擔并完成了多項國家及省部級重大重點科研項目，獲得了國家技術發明獎二等獎兩項，中國專利金獎一項，省部級和協會獎勵六項，已成為高層次人才培養和高水平科學研究的重要基地。

2 打造高水平研究平臺

緊密圍繞X射線器件與系統、強激光薄膜與應用、光學納米計量與測試、微納光學與智能感知四個研究方向，我們研發了高端的系統與裝置，購置和改造了國內外高精尖儀器設備，打造了高水平研究平臺，形成了特色鮮明的研究體系。

2.1 X射線器件與系統研究平臺

極紫外、軟X射線、X射線和中子的波長短，光子/粒子能量高，一方面可大幅提升光學系統的分辨率，廣泛用于超高精度的微納制造、顯微成像、物質分析和天文觀測中；另一方面又可成為高分辨“芯”能級電子態的探測手段，支撐國家大科學裝置平臺和高端分析儀器。

極紫外、軟X射線、X射線和中子與物質相互作用的特性決定了其光學器件基本上是反射型。要實現超短波長光波和粒子的高效反射和精密調控，反射器件的特征結構尺度需達納米甚至是亞納米，精度需達到亞納米甚至皮米量級，器件的制備難度極大。反射器件的特殊工作模式和超高精度為反射光學系統的集成和應用也帶來了新的挑戰。

研究所創建了極紫外、軟X射線、X射線和中子薄膜器件研制平臺。擁有了離子束修形、小磨頭機械手拋光、大口徑化學機械拋光等超精密反射鏡制作設備，發明了復頻超聲波反射鏡基板清洗設備，發展了包括小型試驗探索式、超高本底真空度、大口徑圓形基板行星式鍍膜、米級長條形基板直線式鍍膜、圓柱形內外表面鍍膜等多種磁控濺射以及雙離子束濺射的高精度多功能鍍膜裝備集群，形成了基于大口徑激光干涉儀、高精度接觸式輪廓儀、光學表面輪廓儀、原子力顯微鏡組成的光學表面形貌全空間頻譜和基于高精度X射線反射與衍射、掃描電子顯微鏡的薄膜微結構的表征測量體系。

創建了X射線聚焦望遠鏡研制平臺。建立了薄玻璃直接熱成形的反射鏡基板研發和生產能力，發展了激光干涉儀配合計算全息圖、激光掃描式測量圓柱面面形的實驗方法及設備，發明了無微裂紋薄玻璃熱絲切割技術及儀器，創立了環氧樹脂真空混合除氣、超高精度石墨條磨削、薄玻璃反射鏡片亞微米級嵌套安裝、納米光學探針在線檢測等薄玻璃反射鏡型X射線嵌套式望遠鏡精密集成裝配平臺。初步建立了基于鎳電鍍技術的全口徑一體化X射線望遠鏡研制和光學性能測試的實驗平臺。

創建了極紫外、軟X射線、X射線和中子反射光學系統研制平臺。以極紫外、軟X射線、X射線和中子光學系統精密物像關系的規律性認識為突破點，發展了光學性能仿真模擬與像質評價相結合的精密調控技術，建立了以離線的系統級精密裝配和在線的微米/角秒級高精度快速安裝為主要特征的系統集成調試技術及綜合裝校平臺，創立了以任務牽引為導向，性能測試優化與應用需求相協同的系統研發平臺，形成了從實驗室到復雜使役環境下的高精度快速裝配-調試-應用的綜合技術體系。

2.2 強激光薄膜與應用平臺

激光具有高亮度、高相干性等特點，一方面可以實現高功率輸出，主要支撐強激光裝備、超高功率國家大科學裝置平臺；另一方面能實現空間和時間的超高分辨，廣泛應用于精密測量、微納制造等領域。

在高功率激光作用下，光學薄膜器件的激光損傷性能具有強烈的短板效應，局域缺陷是誘導薄膜損傷的核心。要實現強激光負載能力的光學薄膜器件，需要研究激光作用下薄膜微納尺度缺陷的損傷機制和規律，構建涵蓋器件設計、基板加工和清洗、薄膜制備和特性表征的全流程定量化缺陷控制平臺。

研究所創建了強激光薄膜和低損耗薄膜器件制作平臺。擁有多節點科學計算平臺，開發了電磁波計算程序和多物理場優化算法，建立了高損傷閾值、低損耗薄膜的設計體系；發展了氫氟酸刻蝕和離子束拋光等基板亞表面缺陷控制技術及裝置，研制了超聲波-兆聲波復頻清洗設備，建立了超光滑光學基板表面缺陷和污染的高效率無損傷去除體系；改進了電子束蒸發和離子束濺射鍍膜裝置，形成了大口徑、復雜曲面基板的高精度、低缺陷和高效率鍍膜制作能力；建立了基于分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀、弱吸收儀、角分辨散射儀、機械損耗測試裝置、大口徑激光干涉儀、光學輪廓儀、原子力顯微鏡、X射線衍射測試、掃描電子顯微鏡的薄膜表征測量體系。建立了強激光薄膜和低損耗薄膜器件設計、基板加工和清洗、薄膜制備和特性表征等全流程控制的創新平臺和技術體系。

創建了基于納秒與飛秒脈沖激光的光學元件激光損傷閾值測試平臺。面向國家科技重大專項工程任務驅動，聚焦關鍵核心元件研制的多輪技術迭代，發展了缺陷點全程記錄、微納損傷識別的高置信度激光損傷閾值測試系統，實現了全自動化測量和參數采集，實現了瞬態診斷初始損傷源功能，形成了多種手段對位的原位測量體系。發明了高精度損傷閾值校準方法，提升了對激光損傷閾值測量重復性、測量結果可比較性的監測能力。通過廣泛的學術交流和國際損傷閾值評測，完成了測量結果的國際對標。

創建了強激光精密光機系統研發平臺。發展了面向對象的復雜光學系統設計方法，建立了光學系統裝調高精度集成裝配技術和裝置，配備了光學系統波前和成像性能檢測儀器。采用單點金剛石車削設備，發展了基于光學探針的非接觸式納米精度原位檢測方法，提出了慢刀伺服加工的誤差理論和兩步補償加工策略，構建了復雜曲面光學元件的精密制造技術，創建了涵蓋“光學設計-結構設計-元件制造-裝調集成-性能評價和應用”的精密光機系統研發平臺。

2.3 光學納米計量與測試平臺

納米級長度標準物質是國家納米量值傳遞的關鍵器件，其特點是要求具有良好的準確性、均勻性與一致性。納米級長度標準物質的一方面可以為納米測量儀器進行精確標校，另一方面可以為超精密位移測量提供核心器件支撐。

溯源性是準確性、均勻性與一致性的基礎。原子光刻技術研制過程中，光柵量值被原子躍遷頻率所對應的波長鎖定，可以通過自然常數溯源到“米”定義，準確性極高，是研制光柵標準物質的優勢技術。同時，原子光刻光柵極高的刻線密度可以提升超精密位移測量的分辨率。多層膜光柵技術通過將鍍膜厚度轉化為線寬寬度，具有極高的均勻性與一致性，同時通過硅晶格常數可以實現自溯源型的線寬測量。

研究所創建了超高刻線密度的鉻原子光刻光柵研制平臺。基于鉻能級躍遷頻率為自然常數，配備了極小窄線寬激光器、極其穩定的原子爐溫控系統、超高真空的原子光刻沉積真空環境以及飛米級波長穩定的穩頻系統，建立了鉻原子光刻系統，將自然常數物化為超高刻線密度、極高均勻性、皮米級準確性的一維鉻自溯源光柵，創立了將一維光柵的自溯源長度轉化為二維自溯源角度的分步沉積原子光刻、自溯源光柵縱向擴展的掃描原子光刻、自溯源光柵橫向拓展的拼接原子光刻等關鍵技術，初步形成了以鉻自溯源光柵節距為基準的AFM、SEM、EBL等現代化納米測量與加工儀器的放大倍率誤差、非線性誤差、非正交誤差的表征和校準體系。

創建了基于光柵干涉技術的自溯源精密位移測試平臺。擁有了大面積原子光刻光柵可控制備系統、高速響應信號探測模塊和測量信號處理工具組，建立了基于自溯源光柵干涉儀和激光干涉儀的位移比對測量系統，發展了針對激光干涉儀的位移校準方法；建立了自溯源光柵標準物質與其他納米光柵的比對測量裝置，發展了基于光柵干涉法的納米光柵間距校準方法，初步建立了基于自溯源光柵衍射計量方法的長度溯源測量體系。

創建了納米線寬的全流程精細化制備與表征平臺。擁有了原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、超聲清洗裝置、超純水裝置、切割機與研磨機等掃描與制作設備，建立了晶圓鍍膜、鍵合、切割、拋光、濕法刻蝕、顯微表征等全鏈條線寬加工流程。基于自溯源光柵優越的周期穩定性與準確性，結合相關的軟件模擬與分析，開發了多種比對測量線寬樣品的方法，初步形成了一套較為完善的納米線寬樣品校標體系。

2.4 微納光學與智能感知平臺

微納光學利用“人工微結構”可實現光場振幅、相位、極化、波前等多維度的調控，具備遠超自然材料的光場調控能力，是光學學科重要分支。微納光學器件不僅能實現光學系統的輕薄化和集成化，還使得智能感知技術能夠跨越式發展，是國家戰略重點支持領域之一。當前微納光學的光學效率、跨尺度制造、光學檢測和系統設計四方面仍制約了其發展，只有突破人工微結構的光場調控機理、攻克微納光子學器件的跨尺度制造、提升多維光學顯微探測精度和優化微納光學智能感知系統設計才能推動微納光學的前沿科技發展和重大應用。

研究所構建了人工微結構材料的光場調控設計平臺。擁有了30節點的并行計算集群，具有近千核心CPU，15T內存的仿真計算資源；研制了自主可控的高效率光場仿真工業基礎軟件，集成了三維建模、時域有限差分、嚴格耦合波、本征模式展開、多策略優化等仿真和優化模塊，形成了微納光學器件、宏微集成光學系統的快速仿真和設計能力。

建立了微納光學器件跨尺度制造平臺，擁有千余平米的百千級超凈間、6英寸甩膠機、8英寸高精度電子束光刻系統、低溫反應離子刻蝕系統、原子層沉積等微納光學器件核心制造設備；建立了大口徑異形襯底甩膠工藝，實現了光刻膠厚度重復性、均勻性及波相差控制方法；發展了電子束光刻跨尺度制造技術，提出了寫場拼接、旋轉、畸變誤差修正校準技術；確立了原子層沉積-低溫刻蝕相結合的低損傷增材制造技術路線；形成了基于掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、角分辨測試的多維融合微觀結構尺寸與宏觀器件性能的綜合表征體系。

創建了基于微納光學器件的計算成像與智能感知系統研制平臺。擁有GPU服務器集群的計算設備，研制了用于計算成像與智能感知系統端到端協同設計的計算仿真軟件；建立了包括干涉儀、轉臺、平行光管、三坐標、六自由度平臺和經緯儀等在內的以離線和在線系統級精密裝配為主要特征的系統綜合裝校平臺；形成了基于單色儀、地物光譜儀、全譜段探測器、精密位移平臺、標準成像鏡頭的系統性能測試與定標平臺。

3 高水平研究成果

我們緊密圍繞四個主要方向，聚焦國際研究前沿和國家重大需求，形成了基礎理論研究、關鍵技術創新、集成示范應用和技術成果轉移的“全鏈條”創新能力，支撐了國家重大科研項目的實施，取得了多項重要研究成果，建成了產學研用為一體的創新基地。

3.1 X射線器件與系統研究成果

3.1.1 X射線器件

我們具有國際先進水平的極紫外、軟X射線、X射線與中子多層膜器件的創新能力，推動了我國相關波段光學系統的自主研發和應用。創建了多層膜界面缺陷的解耦精確表征方法，揭示了膜層界面缺陷的形成規律，闡明了其對薄膜折射率差異的作用機制，明晰了其與反射率的構效關系。發明了原子級厚度阻隔層和氬氮混合反應濺射的多層膜界面缺陷調控技術，解決了膜層不均勻結晶、擴散混合和化合反應的有效抑制難題，顯著提升了多層膜器件的光學性能。發展了傾斜粒子調控和膜厚精確控制等大尺寸多層膜生長技術，破解了大尺寸納米薄膜生長中界面結構和膜層厚度的控制難題，實現了大尺寸高反射率多層膜制備。制備的多層膜器件已成功用于上海光源光束線、北京同步輻射光束線、德國BESSY II同步輻射光束線、激光慣性約束聚變、等離子體診斷、天文觀測、高次諧波及阿秒實驗等前沿基礎研究和高端分析儀器上，支撐了我國同步輻射和自由電子激光裝置建設、武器物理和可控聚變診斷技術創新、高端XUV分析儀器產業的發展。

提出了高效率單級次X射線多層膜光柵的設計方法和準布拉格衍射的新工作模式，利用多層膜反射將光柵衍射效率集中到單個級次，從而突破了傳統單層膜光柵效率低的瓶頸。揭示了X射線納米薄膜在非各向同性微納光柵結構上的生長機制，獲得了單層膜和多層膜對微納光柵表面不同空間頻譜結構的平滑規律，發明了X射線納米多層膜在微納結構上的復形生長技術，解決了多層膜在光柵結構上生長時界面不均勻擴散遷移的兩維調控難題，實現了二維多層膜光柵的精確構筑。制備的多層膜閃耀光柵在2～4 keV韌X射線波段衍射效率比傳統單層膜光柵提高10～40倍，該元件成功應用于德國BESSYII光源成像線站單色器，結合多層膜前置鏡將線站在2 keV的光子通量提升了100倍。在此基礎上，將多層膜和超高線密度光柵以及高級次衍射相結合，研制了2萬線/毫米的多層膜納米光柵，在X射線波段獲得了已有文獻報道的最高角色散，為超高效率高分辨率X射線單色器和光譜儀的實現開辟了新道路。

發明了軟X射線分束鏡制作技術。揭示了軟X射線多層膜應力形成機理，闡明了多層膜微結構與其光學和應力特性的構效關系，找到了軟X射線多層膜應力的調控方法，實現了我國大尺寸軟X射線多層膜分束鏡的研制，成功應用于軟X射線激光的馬赫貞德干涉儀，首次在國內獲得了稠密等離子體的電子密度分布，使得我國成為繼美國后第二個掌握此類實驗方法的國家。

發明了軟X射線寬帶偏振器件制作技術。提出了軟X射線非周期多層膜寬帶偏振器件優化設計方法，創新了納米厚度膜層的生長速率精確控制和膜層厚度精密表征方法，在國際上率先提出并實現了軟X射線寬帶偏振測量方法與裝置，成功應用于國內外同步輻射偏振線站，相關研究成果被美國光學學會編寫的最新版《Handbook of Optics》引用，是該手冊光學薄膜內容章節引用的唯一產自中國大陸的成果。

3.1.2 X射線聚焦與成像系統

我們發明了一種高分辨X射線時空譜綜合測量的激光慣性約束聚變等離子體診斷新方法，建立了基于多通道掠入射X射線光學的X射線時空譜綜合測量技術體系。創建了多參數耦合條件下誤差解耦的多通道KB成像系統精密裝校方法，突破了多通道高分辨掠入射X射線成像的瓶頸。提出了基于多層膜球面鏡陣列的X射線多能譜成像新方法和多類新物鏡結構，突破了高效率多層膜制備和多能道精密耦合等技術難題，實現了對小尺寸、弱信號等離子體的高通量高分辨X射線多能譜診斷。研制了具有不同技術特點，適應不同空間、時間和能譜測量需求的多類精密X射線成像系統，為用戶單位芯部燃料熱斑演化、流體力學不穩定性和自發光流線測量等多個重要診斷實驗的順利開展提供了關鍵的診斷裝備支撐，國際上首次實現了多達十六通道高分辨KB系統在激光等離子體診斷的高質量應用，空間分辨在400μm視場內達到3～5μm，診斷能點數最多達到4個，性能指標和成熟度顯著優于國外同類型診斷技術水平，有力增強了我國激光慣性約束聚變研究的等離子體時空譜綜合診斷能力。

發明了針對特殊能量和高時空分辨X射線測量的復雜面形和結構構型的彎晶診斷新技術。基于光源特性和晶體面形影響的光學建模，揭示了超環面彎晶的高分辨成像內在規律，提出了“晶片定向-減薄拋光-清洗鍵合”的高面形精度超環面彎晶制作方法，在毫米級視場內實現了3～5μm的高分辨成像。基于時間分幅的能譜診斷需求，提出了聚焦成像型的多通道彎晶譜儀方案，實現了X射線輻射的高空間、時間和能譜分辨的同步測量。建立了基于“能量替代”的彎晶器件精密調試方法和光學觀瞄結構功能一體化的在線瞄準方法，研制的超環面彎晶成像儀、多通道彎晶譜儀等多類診斷系統，在我國強激光裝置、強流重離子裝置等物理實驗中得到成功應用。研究成果有效彌補傳統構型彎晶器件存在的不足，為特定能點、時空分辨和特殊應用場景的X射線譜學研究提供了新的診斷手段。

發明了用于等離子體診斷和微尺度聚焦的極紫外正入射成像技術。揭示了元件誤差與系統成像質量的內在規律，發展了自準定心的成像系統高精度裝配方法。明晰了“物-鏡-像”之間的耦合關系，創建了基于可見光的系統裝調方法，在毫米級視場內達到了2～5μm的分辨率。基于多能譜的成像診斷需求，提出了多通道多能譜的設計方案，實現了極紫外時、空、譜的同步診斷。基于極紫外高能量密度的需求，提出了大數值孔徑微聚焦系統的設計思路，發展了微米級精度的焦平面定位方法，獲得了超高能量密度的極紫外脈沖。研制了面向應用需求的正入射成像系統，在我國超強超短激光裝置、Z箍縮等離子體裝置等物理實驗中得到成功應用，為極紫外診斷和成像工作奠定了基礎。

發明了X射線薄玻璃反射鏡的高精度制作與精密裝配技術。解決了薄玻璃熱成形反射鏡基板面形精確調控的難題，創新了無微裂紋的薄玻璃熱絲切割與無應力損傷的高精度清洗方法，實現了X射線薄玻璃反射鏡的高精度制作。基于超精密加工車床，建立了集“在線檢測-實時評價反饋-裝配工藝優化”于一體的閉環控制精密裝配方法，提出了基于實測面形三維光線追跡的裝配后X射線望遠鏡成像性能的在線評估方法，實現了國內首臺角秒級嵌套式X射線望遠鏡研制。在上海光源和德國馬普所PANTER裝置上測試結果表明，嵌套式X射線望遠鏡成像精度與美國在軌的NuSTAR望遠鏡水平相當。

發明了超光滑、超高精度的非球面反射鏡離子束直接修形與絕對檢測技術。揭示了超光滑表面成形機制，建立了超光滑非球面高效成形方法，提出了隨機旋轉絕對檢測方法，解決了非球面反射鏡在超光滑表面和超高精度面形的協同調控難題，實現了超光滑、超高精度非球面的制作。創新Sc/Si多層膜界面阻隔材料，提升其在空間環境中的熱穩定性與存放穩定性。實現了國內首臺46.5 nm極紫外太陽望遠鏡載荷，有望在日冕加熱、太陽風起源和太陽爆發機制等空間科學核心課題上取得重要的空間探測結果。

3.1.3 中子超反射鏡器件及聚焦系統

我們發明了基于膜層微結構和應力精確控制的中子超反射鏡高精度制備方法。發展了中子超反射鏡膜層生長調控技術和應力控制技術，實現了m=3、反射率大于90%的中子超反射鏡器件的高精度制備，其性能與國際先進水平相當。提出了高精度光學測量與機械集成相耦合的中子導管調試方法，實現了長度達到1 m，口徑控制及形位誤差優于20μm的高精度中子導管制作，在中國散裂中子源多物理譜儀成功應用。針對高通量、高準直度聚焦系統的應用需求，創新了中子光學核心儀器裝備，提出并研制了多通道Montel型和多層嵌套式Wolter型聚焦結構等多類新型中子聚焦系統，將中子束流強度提高一個數量級以上。研究成果在中國散裂中子源、清華大學微型脈沖強子源、中物院核物理與化學研究所等重大科學裝置和單位得到應用。

經過二十年的發展，該成果先后獲得獲國家軍隊科技進步獎一等獎，上海市技術發明獎二等獎，中國儀器儀表學會技術發明獎一等獎和國家技術發明獎二等獎。

3.2 強激光薄膜與應用

3.2.1 強激光薄膜器件

我們創建了國際先進的強激光薄膜器件全流程研制平臺，幾類薄膜器件的損傷閾值指標國際領先，支撐了我國高功率激光系統和裝備的自主研發和應用。

發明了超高損傷閾值激光薄膜制作技術。揭示了“局域熱點”誘導薄膜器件激光損傷的物理機制，闡明了“吸收強點-電場強度-薄膜結構-局域熱點”的構效關系，發明了調控薄膜結構來操縱駐波/行波場分布的“場控設計技術”。在2014、2020年SPIE系 列 國 際 會 議“Boulder Damage Symposium”舉辦的全球最權威的激光薄膜損傷閾值比對測試中，團隊研制的1 064 nm窄帶濾光片、532 nm高反射薄膜排名第一。研制的pick-off鏡成功應用于我國“神光III”原型和主機等激光裝置，解決了之前其頻繁損傷的難題，保障了我國激光聚變裝置的長年穩定運轉。

發明了防水多功能強激光薄膜制作技術。闡明了薄膜微觀結構、動態吸收截面和環境穩定性的構效關系，發明了離子束輔助多源電子束共蒸發技術，創制了消除動態吸收截面的納米復合新材料，率先實現了兼顧防水、光學、損傷性能的多功能強激光薄膜器件，將水環境下使用的強激光薄膜器件壽命由不到2周提升到1年以上。此技術還拓展了我國激光器在海陸空天等復雜使役環境下的使用范圍。

發明了大口徑寬帶低色散雙色膜制作技術。闡明了薄膜結構與電場分布、群延遲色散的對應關系，基于低折射率腔層結構降低薄膜電場強度，大幅提高了薄膜器件的激光損傷閾值，還基于旋轉機構和蒸發結構的優化設計，實現了大口徑寬帶低色散雙色膜的均勻性、應力控制。研制了“羲和”激光裝置、星光Ⅲ激光裝置中損傷閾值要求最高的寬波段雙色薄膜器件，為我國實現世界上最高峰值功率輸出提供了重要的元器件支撐。

發明了低損耗激光薄膜制作新技術。提出了優化薄膜結構、傾斜生長薄膜調控薄膜界面散射的新思路，實現傾斜生長薄膜的可控精確制備，有效降低了薄膜界面散射；構建了微米結構缺陷誘導薄膜散射的模擬方法，獲得了缺陷誘導薄膜散射的定量規律，創新了離子束刻蝕清洗結合缺陷平坦化的控制技術，將薄膜缺陷散射降低近1個數量級。攻克了低損耗薄膜中最難的散射抑制問題，高損傷閾值、低散射的激光薄膜器件可應用于激光陀螺、極紫外光頻梳等精密測量系統中。

3.2.2 激光損傷性能表征與動力學

我們建立了基于1-on-1，S-on-1，R-on-1和光柵掃描4種方法的高置信度激光損傷閾值測試系統，實現了全自動化的ISO標準測量、大區域掃描測量與實時分析。在此基礎上，完善了損傷點的跟蹤復位能力，解決了新增損傷點和損傷生長點難以進行穩定性測試的難題；搭建了微納空間分辨和納秒時間分辨的泵浦-探測系統，發展了對縱向損傷源頭進行直接瞬態識別的新型激光損傷閾值測量技術；實現了納米尺度激光損傷的定點原位探測，為微納尺度初始損傷的精準識別與損傷生長研究提供了實驗手段支撐。

開展了激光損傷動力學研究，獲得了透射元件初始損傷的時域演化過程，討論了損傷形態與損傷動力學的相關性，包括等離子體和沖擊波的產生與擴展、熱力作用過程、粒子噴發和能量釋放等，建立了表面損傷和深度位置損傷的粒子噴射物理模型。發展了兩種激光損傷性能提升技術，利用化學刻蝕法消除和弱化了表面和亞表面缺陷對激光損傷性能的影響。此外，利用低于元件損傷閾值的激光能量進行預處理提升了光學薄膜整體損傷性能。

3.2.3 精密光機系統

我們構建了涵蓋“光學設計-結構設計-元件制造-裝調集成-性能評價應用”的精密光機系統全環節研發體系，推動了復雜精密光學診斷系統在高能激光裝置上的應用。為“星光Ⅲ”激光裝置研制了國內首套成像型速度干涉儀光學系統（VISAR）和掃描光學高溫計（SOP）的主被動聯合測量方式的復合速度診斷系統。通過優化的平行光鏈路光學設計架構，解決了大空間布局下大視場、高分辨率復合診斷光學系統設計難題；通過雙色激光對向光路精密裝調方法，突破了20米長光路上近百個元件的超精密裝調集成的難題，實現了2 mm大視場和500μm超大景深成像，并滿足了水平和垂直兩種打靶模式，為“星光Ⅲ”實驗研究提供了技術支撐與診斷測試平臺。

在“星光Ⅲ”激光裝置沖擊波溫度測量的成像光譜儀光學系統研制中，采用寬波段晶體材料作為補償鏡，實現了寬工作波段、雙放大倍率的光學系統設計，并克服了Schwarzschild結構在低放大倍率時后工作距短的缺點。針對真空應用環境下長懸臂梁物鏡結構變形導致的光軸傾斜問題，采用“光學設計-結構設計-力學設計”有效耦合的綜合設計方法，采用以折轉鏡偏轉作為補償參量的方案，有效解決了大放大倍率的分辨率下降問題，在2 mm的視場內，獲得了3倍3.8μm和20倍3.5μm的物方分辨率，為沖擊波溫度測量提供了技術支撐，也拓展了折反式光學系統診斷系統的應用場景。

發明了基于光學探針的非接觸式納米精度原位檢測方法和補償加工技術，實現了100納米精度的自由曲面原位檢測和加工。提出了“硅鋁合金-鎳”高能激光輕量化復合金屬反射鏡制作方案，采用“超精鋁合金基底-電鍍鎳-超精車削鎳-拋光”的技術路徑，突破大口徑金屬反射鏡材料制作、輕量化設計與仿真、高精度檢測和補償加工、低缺陷金屬拋光的全流程技術，解決了大口徑輕量化金屬反射鏡系統的制造難題，為全金屬反射系統和輕質光束控制系統等的研制奠定了基礎。

經過十五年的發展，該成果先后獲得國家技術發明獎二等獎、教育部技術發明獎一等獎/二等獎，及中國專利金獎。

3.3 光學計量測試

我們創制了系列自溯源型一維光柵、二維柵格、納米線寬等納米幾何量標準物質，推動了我國自主可控的納米量值傳遞鏈的建立。研究了鉻原子光刻光柵生長過程中的遮蔽效應，闡述了激光光強、切光比例、沉積參數與光柵輪廓的影響規律，實現了百納米高度鉻原子光刻光柵的可控制備；提出了拼接原子光刻與掃描原子光刻技術，實現鉻原子光刻光柵的無損拼接與平行延展，解決了大面積自溯源光柵的研制難題；發展了分步沉積原子光刻技術，實現了從自溯源長度到自溯源角度的轉換，創建了二維自溯源柵格研制的新方式；提出了“原子光刻+軟X射線干涉光刻”的自溯源光柵研制新思路，實現了自溯源光柵向更小尺度的量值傳遞；優化了多層膜光柵的界面粗糙度最小化控制方法，實現了多結構硅納米線寬的研制；系列自溯源長度微納結構的研制方法豐富了自溯源光柵的類型、尺度與維度，研究成果入選《中國電子信息工程科技發展研究》。

系統評估了一維鉻原子光刻光柵、一維硅納米光柵、二維鉻原子光刻柵格、多結構線寬的均勻性與穩定性，獲批國家一級標準物質2項（GBW13982，GBW13983），國家二級標物質2項（GBW（E）130838，GBW（E）130744）。比對了理論值為212.8 nm自溯源光柵與國際權威計量機構德國聯邦物理技術研究院PTB的測量結果，證實了自溯源光柵的準確性、均勻性、一致性均處于皮米量級，代表了我國納米長度標準物質研制的最高水平，填補了我國皮米級準確的長度標準物質的空白。

發明了自溯源型光柵干涉儀，將光柵干涉儀位移測量原始信號測量周期縮小至106.4 nm，提升了光柵干涉儀的刻線密度與分辨力，實現了自溯源型的超精密光柵干涉儀位移測量技術；明晰了自溯源光柵表面光場響應特性，確定了基于自溯源光柵衍射計量方法的最佳光柵制備形貌和最優光路偏振條件，完成了基于自溯源型光柵干涉儀的特異性優化；創制了基于光柵干涉儀的納米光柵間距比對測量系統，實現了長度量值比對測量新方式；基于自溯源光柵標準物質校準了原子力顯微鏡的非線性誤差與掃描電鏡的放大倍率，推進了自溯源標準物質在納米儀器校準方面的應用；構架了硅納米線寬的晶格常數計量定值方法，推動了納米尺度下“米”定義的補充實現方式在微納結構幾何尺寸計量方面的實踐；發展了基于探針線寬校準器的原子力探針精確反演方法，提升了原子力顯微鏡圖像測量的準確性；協助建立了激光衍射法測量納米光柵間距國家計量校準規范JJF的實施。

3.4 微納光學與智能感知

我們發展了本征模式展開降維計算理論，提出了主模式降階計算方法，將光柵、超表面、頻率選擇表面、光子晶體等周期結構的光場仿真計算效率提高了1～2個數量級；發展了傅里葉空間/實空間混合計算的微納器件光學系統仿真方法，突破了含微納器件的混合尺度光學系統全波仿真計算瓶頸；提出了基于泊松方程的網格聚類和網格優化方法，實現了全自動的拓撲結構快速幾何建模和優化算法；提出了結構化網格/非結構化網格混合計算的等效邊界方法，突破了時域有限差分和時域有限元的混合計算瓶頸困難；研制出自主可控的三維電磁場全波仿真軟件，具有完備的三維幾何建模功能，具備時域有限差分仿真、時域有限元仿真、嚴格耦合波仿真、本征模式展開、射線追蹤系列求解器模塊，集成了拓撲優化、粒子群、遺傳算法和機器學習優化算法，在微納光學器件和系統仿真優化的求解精度和效率方面具有較大優勢。

提出了一維多層膜結合二維超表面的準三維亞波長效率調控新結構，闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，通過準三維結構內傳輸波和布洛赫波的高效耦合，增強了多重散射并提高了非局域能流調控能力，從而建立了準三維亞波長結構調控橫向能流的新思路，在1 550 nm實現了國際上效率最高的、效率優于99%的光頻異常反射。準三維亞波長結構有望解決“效率低、帶寬窄”等限制超表面走向應用的核心問題，推動基于光學超表面的微型光譜儀、輕薄激光雷達等儀器裝備的跨越式發展。

發展了基于電子束光刻的微納光學器件跨尺度制造技術。厘清了大面積異形襯底甩膠工藝中光刻膠厚度一致性、均勻性與波相差的構效關系，闡明了電子束光刻中的誤差產生機理與校準方式，獲得了器件口徑對誤差種類及大小的影響規律，發展了針對不同特征尺寸納米結構和大口徑器件的電子束光刻誤差調控方法，研制出50 mm口徑的準三維亞波長結構原理性樣件，正在積極探索相關的應用研究。

發展了微納光學器件與深度學習算法端到端系統端到端協同的計算成像系統設計方法，推動了高性能輕薄感知系統的研發和應用。提出了基于同心圓環分解的設計降維技術，將可設計的光學系統口徑提升了約100倍，研制了實用化的數十毫米量級的高性能輕薄成像系統。發展了適用于復雜光學系統設計的可微分射線光線追蹤模型，實現了端到端設計復雜多鏡片光學系統。正開展相關研究成果在消費電子與軍民用紅外成像領域的應用推廣。

該方向從美國和新加坡引進了江濤、施宇智、黃迪等高層次人才，未來還將開展微納結構及光電器件的光學顯微與機制研究，探索微納結構的多維度高精度光測量技術和光電器件應用；開展光流控光鑷操控芯片的基礎理論和生物應用研究，探索微納光學光和物質相互作用的機制以及精密操控和檢測細小生物顆粒。

4 總 結

歷經二十年櫛風沐雨，精密光學工程技術研究所秉承“忠誠、極致、革新、協同”的文化理念，創新求索，砥礪奮進，實現了從無到有、從有到優的超越。此時迎來了國家“十四五”發展新機遇，我們將不忘初心，與時俱進，居安思危，不懈耕耘，再鑄輝煌。