近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队的张锦龙教授等人在精密测量与光学薄膜领域取得重要进展，研究成果以“Thickness-driven optimization of optical properties and mechanical loss in nanolaminates for precision metrology”为题，发表于物理与天体物理领域的权威期刊《物理评论应用》（Physical Review Applied）。
在引力波探测等精密测量系统中，薄膜热噪声是限制灵敏度的关键。当前主流的高折射率材料TiO2:Ta2O5因其本征机械损耗，是主要噪声源之一。为寻求替代，研究聚焦于纳米叠层膜，但其传统结构难以兼顾高折射率与低吸收。张锦龙等人通过研究TiO2/Ta2O5周期性结构，发现当“阱层”TiO2厚度低于5 nm时，会引发量子化效应，从而提升光学带隙、抑制吸收，如图1所示。
图1 纳米叠层膜和单层膜的光学性能（a）光学带隙与折射率；（b）消光系数
研究进一步揭示，随着子层厚度减小，纳米叠层膜的机械损耗显著降低。当“垒层”Ta2O5厚度为3.51 nm，“阱层”TiO2厚度为1.77 nm时，薄膜机械损耗甚至低于目前最优的TiO2:Ta2O5混合薄膜，如图2（a）所示。团队还通过椭偏仪提取Urbach能，建立了机械损耗与原子结构中短程无序度之间的关联，从原子尺度揭示了机械损耗的物理起源，如图2（b）所示。
图2 薄膜机械损耗（a）与层数的关系；（b）与Urbach能的关系
该研究不仅验证了纳米插层量子化在提升光学性能与降低机械损耗方面的优势，也为未来高性能光学薄膜的设计提供了理论依据与实验基础。结合后续退火工艺，量子化纳米叠层膜有望在下一代引力波探测器等高精度光学系统中实现应用。
同济大学物理科学与工程学院张锦龙教授为论文通讯作者，学院博士后方圣欢为论文第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授、焦宏飞教授、博士后汲小川、博士研究生卢贞尹、博士研究生董典浩。
论文信息：
Shenghuan Fang, Zhenyin Lu, Xiaochuan Ji, Dianhao Dong, Hongfei Jiao, Xinbin Cheng, Zhanshan Wang, and Jinlong Zhang*, Thickness-driven optimization of optical properties and mechanical loss in nanolaminates for precision metrology, Phys. Rev. Applied 24, 054046 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/fjhl-4spr
