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随着激光在航天器中应用的增加,出现了激光系统在空间环境中失效的现象。激光薄膜和基底元件(包括晶体和玻璃)是激光产生和输出的重要组成部分,空间环境对它们损伤性能的影响直接关系到激光系统的稳定性、使用寿命和光束质量,因此它们的空间损伤效应成为急需研究和论证的问题。总结了国内外激光薄膜和基底在不同空间环境(包括真空度、温度、污染、空间辐照等)的性能变化、损伤机理和改进措施,为用于航天器的激光薄膜和基底元件的性能评估、预测和性能改进提供理论依据和分析方法。
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激光与光电子学进展
49
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040001
(
2012
)
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○
C
2012
《中国激光》杂志社
激光薄膜和基底在不同空间环境中的损伤性能
研究进展
崔
云
1
易
葵
1
沈自才
2
邵建达
1
1
中国科学院上海光学精密机械研究所 强激光材料重点实验室,上海
201800
2
北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程重点实验室,北京
( )
100094
摘要
随着激光在航天器中应用的增加,出现了激光系 统在 空间 环境 中失 效的 现象。激 光 薄 膜 和 基 底 元 件(包 括
晶体和玻璃)是激光产生和输出的重要组成部分,空间环境对它们损伤性能的影响直 接 关系到 激 光系统 的 稳定性、
使用寿命和光束质量,因此它们的空间损伤效应成为急需研究和论证的问题。总 结 了国内 外 激光薄 膜 和基底 在 不
同空间环境
(包括真空度、温度、污染、空间辐照等)的性能变化、损伤机理和改进措 施,为用 于 航天器 的 激光薄 膜 和
基底元件的性能评估、预测和性能改进提供理论依据和分析方法。
关键词
薄膜;激光薄膜;损伤;空间环境;基底
中图分类号
TN249
;
V19
文献标识码
A
犱狅犻
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310.6870
;
140.3330
;
350.6090
收稿日期:
20110905
;收到修改稿日期:
20111019
;网络出版日期:
20120224
作者简介:崔
云(
1978
—),女,博士,助理研究员,主要从事激光损伤及防护等方面的研究。
Email
:
cui
y
un
@
siom.ac.cn
1
引
言
随着空间技术的发展,激光技术及激光器系统在航天器上有着越来越重要的应用,主要包括激光武器、
测距、测高、空间通信、光侦察、遥感、动力系统、空间太阳能电站等方面。如目前国际上正在使用和研制的激
光高度计有火星轨道激光高度计(
MOLA
)、地球激光高度计(
GLAS
)
[
1
]
、月球激光高度计等,用于遥感探测
的有大气激光多普勒仪、云层浮质雷达观测系统、臭氧激光探测系统
[
2
]
等,应 用于 动力 系统 的有 大尺 寸空 间
望远镜精确定位和姿态控制用光子激光推进器等
[
3
]
,应用于太阳能电站的有日本的
SSPS
项目计划(拟采用
微波系统计划和激光系统计划两种方案)
[
4
]
等。
0400011
49
,
040001
激光与光电子学进展
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j
ournal.net
激光薄膜和基底(包括晶体和玻璃)是空间激光系统中激光产生和输出的重要组成部分。在激光振荡器
中,它们是构成谐振腔、形成激光束的必要元件;在激光传输中,由其组成反光、折光、分光、合束元件。
空间用薄膜元件和基底不仅需要在光学性能和损伤阈值等方面满足系统设 计要 求,还 需要 承受 特殊 空
间恶劣环境的考验。本文针对激光薄膜元件和基底在不同空间环境中性能的变化 及其 机理 进行 分析 总结,
初步探讨了薄膜元件和基底应对各种空间效应的改进措施。
2
激光薄膜元件和基底在不同空间环境中损伤性能的变化和改进措施
在运行的空间激光系统中,有大量激光输出镀膜窗口元件暴露于空间环境中,也有一些关键激光镀膜元
件工作在特殊的环境中,它们的性能变化直接影响激光系统的稳定性、使用寿命和光束质量,而在空间环境
中很难更替它们。过去,几种空间激光系统如
MOLA
和
GLAS
已经遭遇了运行一段时间后反常的性能丧
失或失效
[
5
,
6
]
。
较之地面使用的激光光学元件,航天器应用的激光元件要经受真空度、温度、空间辐射(包括太阳电磁辐
射和带电粒子辐射
)、空间污染、空间碎片撞击等环境因素的影响,尤其是处于元件 最外 层的 光学 薄膜,受到
的影响最为明显。美国国家航空航天局(
NASA
)研究中心、德国 航天 中心、日本大阪大学激光工程研究所、
法国
LP3Ple
科学和技术中心、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国科学院上海光学精密机械研究
所等研究机构都开展了空间环境对激光光学元件影响的研究。
2.1
真空度的影响
真空度与卫 星轨 道高 度密 切相 关
[
7
]
,
90km
高度 时真 空度 约为
10
-1
Pa
,
400km
高度时 约 为
10
-6
Pa
,
1000km
高度时约为
10
-8
Pa
。真空度对致密的晶体和玻璃影响不大,而对致密度不高的薄膜则存在较大的
影响。
国内外对薄膜真空效应的研究较多,德国空间中心对电子束蒸发镀制的
355nm
高反(
HR
)薄膜的多脉
冲损伤研究结果表明,致密度不高的薄膜在真空环境 中的 激光 损伤 阈值(
LIDT
)较 低,如图
1
所示
[
8
]
。中国
科学院上海光学精 密 机 械研 究 所 的 研究 结 果 也 同样 表 明 电 子束 沉 积 的 多孔 薄 膜 在 真空 环 境 下 损伤 阈 值
降低
[
9
]
。
图
1
电子束沉积的
355nm
高反膜在(
a
)大气和(
b
)真空(
4.2×10
-4
Pa
)环境中的多脉冲
LIDT
曲线
Fi
g
.1 Characteristicdama
g
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g
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in
(
a
)
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(
b
)
vacuum
(
4.2×10
-4
Pa
)
研究人员对这一变化过程进行分析,首先利用有限元方法分析了气体热传导 对大 气及 真空 环境 下光 学
薄膜损伤的影响,分析表明气体热传导差异不是大气环境与真空环境损伤差异 的原 因。随后 建立 了多 孔薄
膜的堆积密度与薄膜热导率的变化关系
,利用热传导方程和损伤阈值表达式,从热力损伤过程及缺陷诱导损
伤过程分析了电子束沉积的多孔薄膜真空过程中的本征损伤机制———膜层堆积密度对损伤的影响关系,计
算结果表明真空效应降低了电子束沉积的多孔膜层的热导率,从而加剧了膜层内本征材料和缺陷的温升,导
致真空环境下薄膜的损伤阈值降低。
为了降低薄膜的真空效应,提高膜层堆积密度,德国空间中心
[
8
]
使用离子束辅助沉积(
IAD
)或溅射镀制
致密薄膜,测试结果(图
2
)表明在大气和真空中的损伤阈值无明显差异,从而有效克服了真空效应的影响。
2.2
温度的影响
极端温度是空间环境的一大特点
[
10
]
。空间没有大气对流导热,容易使材料暴露在极端温度下。航天器外
0400012
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