据中国激光杂志社网，于2025年10月09日报道，当发展“零碳”能源逐渐成为全球共识，激光驱动惯性约束核聚变（激光核聚变）这种完全清洁的“终极能源”，正迎来前所未有的发展机遇。2022年12月，美国国家点火装置 (NIF) 首次在激光核聚变过程中得到净能量增益，从实验层面证明了用激光核聚变发电的可能性。
尽管实验已取得重要突破，但要真正让激光核聚变这颗“人造太阳”照亮千家万户，有一个极为关键的技术瓶颈需要突破：极其稳定的高功率激光系统及组成该系统的大型激光光学元件。近日，德国激光行业巨头LASEROPTIK发布激光聚变行业白皮书，揭开了激光聚变技术“隐形基石”的技术密码，也展现了其深耕行业40年间所取得的技术突破。
激光核聚变的“技术门槛”：从能量需求到光学元件的极限挑战
激光核聚变技术的原理其实很简单：利用经过聚焦的超强激光脉冲，精准轰击内含氘氚核燃料的靶丸，以使其在极短时间内达到上亿摄氏度、百倍大气压的聚变条件，并释放大量的聚变能量。但想要实现这一物理过程，驱动聚变激光系统所需的光学元件，至少需要满足两大基本条件：极高的激光诱导损伤阈值（LIDT）及合适的镀膜参数。前者能够直接决定系统传输的最高功率，后者则可保障激光传输时的状态。
所谓LIDT，其本质是指：光学元件在不被损坏前提下，所能够承受最大的激光能量密度（单位通常为J/cm2）。这一参数决定了激光系统的“功率天花板”：即使激光器能够产生超高的功率，也会因光学元件损伤而无法工作。LIDT的数值表现，在实际工作环境中会受到脉冲宽度、光束直径及环境稳定性等多种技术因素的影响。对于纳秒量级的脉冲激光，元件损伤主要由表面镀层中微小杂质及孔隙所导致局部击穿缺陷诱导机制产生；而对于飞秒量级脉冲激光，元件损伤则由材料本征吸收所导致的化学键断裂原因造成。从光束直径角度分析，光束直径越大，元件LIDT会显著下降（光束投影面积越大，遇见元件表面缺陷的概率就会越高，且能量分布不均的风险也会随之增加）；大型激光系统所需激光光束直径往往都大于250 mm，这对核聚变所需的 “大尺寸光学元件”提出了严峻挑战。此外，激光核聚变发电站若想长期稳定运行，光学元件可能面临“真空-空气循环”（系统启停）、湿度变化等环境影响。若涂层质地疏松，环境变化会导致涂层应力不均，进而开裂，间接降低 LIDT。
除了损伤阈值，光学元件的宽光谱与相位调控能力也同样值得关注。核聚变激光系统的激光脉冲，并非单一波长，而是覆盖一定范围的“宽光谱”（如750-930 nm）。想让宽光谱激光精准传输到靶丸，光学元件的镀膜需满足两大要求：宽光谱反射/透射及稳定相位控制，即光学元件表面镀膜需在整个激光光谱范围内保持高反射率，同时维持波动相对平稳的群延迟色散 (GDD)。
然而，适用于激光核聚变系统光学元件，其自身LIDT与宽光谱性能之间存在天然矛盾：能实现宽光谱反射、稳定 GDD 的镀膜材料（如部分氧化物复合材料），往往结构更疏松，能量吸收能力更强，导致 LIDT 偏低；而追求高 LIDT 的致密材料（如纯二氧化硅），又难以在宽光谱范围内保持稳定的光学性能（如图1所示）。如何平衡这一对技术矛盾，成为大尺寸光学元件表面镀膜技术的核心难题。
宽光谱表面镀膜技术：从工艺选择到性能平衡的破局之路
为解决宽光谱传输与高LIDT特性难以共存的矛盾，行业主要通过两种主流镀膜工艺：热蒸镀与离子束溅射 (IBS)，通过结合精细化设计，探索最优解决方案。两种工艺的原理、特性差异，决定了光学元件的性能上限。其中，热蒸镀技术通过电子束加热镀膜材料（如二氧化硅、五氧化二钽等），使其蒸发后在玻璃基板上沉积，形成多层电介质镀层；而IBS技术则需要使用高能离子束轰击靶材，使靶材原子发生溅射，进而在基板表面形成镀层。两种技术相比较而言，IBS技术能够使镀层中的原子排列更加紧密，进而形成更致密的微观结构。在致密涂层减少了孔隙和缺陷的条件下，光学元件表面对于所传输激光能量的吸收能力大幅降低：在飞秒脉冲辐照下，IBS涂层的LIDT通常比热蒸发涂层高 30%-50%，部分优化设计下可突破 1 J/cm2。在原位光学检测技术的加持下，IBS技术能够实现对镀膜GDD的精准调控，使传输激光能够在较宽光谱范围内保持稳定的相位传输状态。
此外，IBS技术还兼具环境稳定性强、精度可调控的优势；由于镀层硬度较高，基于IBS技术镀膜的光学镜片，甚至可以采用超声清洗的方式去除表面污染，长期使用过程中LIDT衰减缓慢。尽管IBS在大口径光学元件镀膜领域有着显著优势，但这项工艺对于设备精度的要求极高，需严格控制离子束能量、靶材纯度与基板温度等参数，否则会影响镀膜的均匀性。这也要求镀膜厂商具备雄厚的技术实力，在此领域内有较长时间的技术积累。
除却工艺差异，镀膜的结构设计是平衡宽光谱性能与LIDT的另一关键。行业内一般会采用“高折射率材料+低折射率材料”交替堆叠的方式进行镀膜，通过实时调控每层厚度，实现宽光谱的反射；同时，通过基板预处理（如超声波清洗、等离子体抛光等）技术，镀膜生产商能够有效减少基板表面杂质，在镀膜过程中引入离子辅助沉积技术，则可进一步降低涂层孔隙率，从源头减少缺陷诱导损伤。
激光核聚变走向商业化，还要跨关山几重？
NIF 点火成功后，全球已掀起核聚变研发热潮：美国、中国及欧盟中部分发达国家，均投入数十亿美元，用于推动商用聚变电站落地。在此背景下，作为高功率激光系统的重要光学基石，激光诱导损伤阈值提升与宽光谱镀膜技术，仍需突破更大尺寸、更高耐受度与更低成本的三重桎梏。在本白皮书中，LASEROPTIK公司大胆预测：未来商用聚变电站，需配备直径1 m以上的光束（以降低单位面积能量密度，提升系统效率），在连续数十年的运行中，单个光学元件将传输百万亿个激光脉冲。这不仅要求镀膜厂商升级自身镀膜设备，更需要科研工作人员尽快研制出具备自修复能力的镀层（如引入可迁移的纳米修复粒子，在损伤初期自动填补缺陷）。此外，当前高 LIDT、宽光谱的光学元件，多为实验室小批量生产，成本极高（单块大型反射镜成本可达数十万美元）。要实现商业化，需开发 “连续式 IBS 设备”，优化材料配方，同时建立标准化检测体系，降低研发和生产周期。
激光核聚变的终极目标，是为人类提供“近乎无限”且“完全清洁”的能源。而这一目标的实现，不仅需要靶丸压缩、能量捕获等“宏观科学技术”的巨大突破；更依赖激光诱导损伤阈值、宽光谱镀膜等“微观基础技术”的点滴进步。正是这些看似“隐形”的光学技术，决定了“人造太阳”能否真正照亮千家万户。也正如LASEROPTIK公司在白皮书副标题中所描述的那样：“没有强大激光系统和大口径激光光学元件领域内多年的研究积累，实现激光核聚变完全是天方夜谭”。
从纳秒到飞秒，从250 mm基板到1 m+基板，从实验室测试到百万亿次运行，大口径光学元件镀膜技术的每一次突破，都在缩短激光核聚变与商业化的距离。未来，当我们享受激光核聚变带来的零碳能源时，或许不会忘记：那些在涂层中精准调控的 “纳米厚度”，那些突破极限的 “1J/cm2”，正是这场能源革命的块块基石。
