李 林，趙印中，許 旻，田 海

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

角反射器又稱角錐棱鏡，是具有空間定向反射特性的光學(xué)元件。廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光通信等領(lǐng)域。在用于衛(wèi)星激光測(cè)距時(shí)，星上角反射器和地面激光測(cè)距站合作，共同完成地面與衛(wèi)星之間的精密測(cè)距工作，所以角反射器也被稱為激光測(cè)距的合作目標(biāo)。有效反射面積是角反射器的一項(xiàng)重要參數(shù)，其大小決定了反射回地面測(cè)距站的激光信號(hào)的強(qiáng)弱［1］。本文涉及的鍍膜角反射器是指在反射面鍍制了高反射膜的角反射器。鍍膜的作用是增大角反射器的工作角度范圍，從而增加有效反射面積，延長(zhǎng)地面測(cè)距站對(duì)在軌衛(wèi)星的跟蹤弧段。目前，鍍膜角反射器在國(guó)外已廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星激光測(cè)距領(lǐng)域，ADEOS地球觀測(cè)衛(wèi)星采用了鍍制高反射銀膜的角反射器，GPS全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星采用了鍍制高反射鋁膜的角反射器［2］。另外，由于中低軌衛(wèi)星上角反射器的使用角度范圍大，光束入射條件分布范圍廣，使用鍍膜角反射器已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為了適應(yīng)鍍膜角反射器未來空間應(yīng)用的發(fā)展方向，開展了對(duì)鍍膜角反射器的輻照試驗(yàn)，以驗(yàn)證其空間應(yīng)用的可行性和空間輻照環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)過程

2.1 鍍膜角反射器結(jié)構(gòu)與反射率測(cè)試

角反射器由宇航級(jí)的熔石英玻璃加工而成，是由3個(gè)相互垂直的直角面(反射面)和底面(入射面)構(gòu)成的四面體錐狀棱鏡，靠近底面部分通常采用底面內(nèi)切圓切割。在理想情況下，激光束從角反射器的底面入射，相繼經(jīng)過3個(gè)直角面的反射后，從底面出射，出射光與入射光平行但方向相反，如圖1所示。

圖1 鍍膜角反射器結(jié)構(gòu)示意圖

采用磁控濺射法在角反射器的3個(gè)反射面鍍制了金屬反射膜。鍍膜設(shè)備為KJLC3000型磁控濺射鍍膜機(jī)。鍍制的反射膜厚度均勻，附著力良好。通過測(cè)試角反射器的激光反射率評(píng)價(jià)反射膜的膜層質(zhì)量和光學(xué)品質(zhì)。

由于角反射器特有的“回射”功能特點(diǎn)，無法用一般的光學(xué)檢測(cè)儀器對(duì)其反射率進(jìn)行直接測(cè)量，搭建了如圖2所示的角反射器反射率測(cè)試平臺(tái)，其中激光源為He－Ne激光器，激光波長(zhǎng)為632.8 nm，監(jiān)測(cè)功率計(jì)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)激光器的發(fā)射功率P1，出射光功率計(jì)用于檢測(cè)鍍膜角反射器出射光的功率P2。

圖2 鍍膜角反射器激光反射率測(cè)試原理圖

角反射器對(duì)特定波長(zhǎng)激光的反射率稱為激光反射率，文中激光反射率特指激光波長(zhǎng)為632.8 nm的反射率。在測(cè)試激光反射率時(shí)，激光器發(fā)射的激光束，經(jīng)分光鏡的反射和透射后，一部分入射至監(jiān)測(cè)功率計(jì)內(nèi)，另一部分入射至角反射器的表面，再由角反射器和分光鏡的反射，入射至出射光功率計(jì)內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測(cè)功率計(jì)和出射光功率計(jì)分別測(cè)得功率值P1和P2并結(jié)合光學(xué)反射率的定義，可以得到激光反射率的計(jì)算公式

式中 $為分光鏡的透過率;γ1和γ2分別為監(jiān)測(cè)功率計(jì)和出射光功率計(jì)的修正系數(shù)。利用式(1)對(duì)測(cè)得的2個(gè)功率值P1和P2進(jìn)行處理得出激光反射率數(shù)值。

對(duì)于波長(zhǎng)為632.8nm的激光，制備的鍍膜角反射器樣品實(shí)測(cè)反射率均達(dá)到0.80以上。

2.2 輻照試驗(yàn)

激光測(cè)距的功能特點(diǎn)決定角反射器安裝于星體外殼，處于空間輻照環(huán)境下。帶電粒子輻照以及紫外輻照是必須要考慮的空間輻照環(huán)境因素。帶電粒子輻照試驗(yàn)和紫外輻照試驗(yàn)分別在蘭州空間技術(shù)物理研究所的空間綜合輻照環(huán)境模擬器和紫外輻照設(shè)備上進(jìn)行。同時(shí)對(duì)3件鍍膜角反射器試樣進(jìn)行了試驗(yàn)。先進(jìn)行電子輻照試驗(yàn)，然后進(jìn)行質(zhì)子輻照試驗(yàn)，最后進(jìn)行紫外輻照試驗(yàn)。

衛(wèi)星上使用的角反射器是以若干個(gè)角反射器組成陣列的形式出現(xiàn)的，每個(gè)角反射器安裝在金屬套筒中并固定于一定形狀的基座上。實(shí)際應(yīng)用時(shí)反射面鍍制的高反射膜處于石英結(jié)構(gòu)和金屬套筒的保護(hù)之下。

熔石英玻璃制作的角反射器，早已成功應(yīng)用于衛(wèi)星的激光測(cè)距任務(wù)，說明熔石英玻璃具備優(yōu)良的抗輻照性能?？紤]到實(shí)際應(yīng)用時(shí)石英結(jié)構(gòu)和金屬套筒對(duì)帶電粒子一定的屏蔽作用，而本試驗(yàn)重點(diǎn)考察的是反射膜，所以帶電粒子輻照以鍍膜角反射器的反射面為輻照面，直接驗(yàn)證反射膜的抗輻照性能。對(duì)于帶電粒子的能量選擇，目前各國(guó)輻照環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)都有一定差異，表面薄膜材料的試驗(yàn)評(píng)價(jià)以中低能帶電粒子的輻照為共性趨勢(shì)。因?yàn)閹щ娏Ｗ虞椪赵囼?yàn)時(shí)，在光學(xué)吸收層以外的能量傳遞不會(huì)對(duì)材料的光學(xué)性能產(chǎn)生大的影響，如果粒子能量過高，粒子的射程將超過光學(xué)吸收層厚度，因此選擇能量較低的粒子進(jìn)行試驗(yàn)［3～5］。

紫外輻照以鍍膜角反射器的入射面為輻照面。對(duì)于紫外輻照參數(shù)的確定，根據(jù)國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)表明，從紫外退化角度看，5 000 ESH(等效太陽小時(shí))足以反映空間太陽紫外環(huán)境對(duì)材料的退化作用［6］。因此，5 000 ESH紫外輻照總量能夠完全滿足空間太陽紫外環(huán)境對(duì)材料性能退化影響的試驗(yàn)研究。

綜上所述，結(jié)合試樣特點(diǎn)與設(shè)備條件，確定了輻照試驗(yàn)條件，電子、質(zhì)子輻照試驗(yàn)條件見表1所列，紫外輻照試驗(yàn)條件見表2所列。其中，表1所列的電子、質(zhì)子輻照總注量較小，是因?yàn)榭紤]了角反射器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬作用于角反射器反射膜的實(shí)際輻照量，相當(dāng)于低地球軌道在軌3年的輻照劑量。

表1 鍍膜角反射器帶電粒子輻照試驗(yàn)條件

表2 鍍膜角反射器紫外輻照試驗(yàn)條件

3 結(jié)果與分析

與鍍膜角反射器空間環(huán)境適應(yīng)性緊密相關(guān)的因素主要有兩方面。一方面是熔石英玻璃的質(zhì)量，另一方面是金屬反射膜的質(zhì)量。帶電粒子輻照過程中，穿透金屬膜的帶電粒子會(huì)作用于熔石英玻璃，雖然有良好的抗輻照性能，但由于熔石英玻璃雜質(zhì)缺陷與結(jié)構(gòu)缺陷的存在也會(huì)產(chǎn)生輻照衰退效應(yīng)，缺陷在經(jīng)過輻照后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的色心，從而對(duì)特定譜段的光產(chǎn)生吸收。常用激光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸收主要有Al雜質(zhì)心(550 nm)、NBOHC(620 nm)等。帶電粒子以及紫外輻照對(duì)金屬膜本身的影響不大，但鍍膜工藝需要解決好膜層的附著力、致密性及均勻性，如果解決不好，輻照后可能會(huì)出現(xiàn)膜層顆粒散射增大導(dǎo)致的反射率下降，甚至出現(xiàn)氣泡以及膜層的脫落。

試樣經(jīng)電子輻照和質(zhì)子輻照后，反射膜膜層外觀完好，說明磁控濺射法鍍制的金屬膜質(zhì)量良好，同時(shí)也驗(yàn)證了金屬膜在輻照環(huán)境下的穩(wěn)定性。從鍍膜角反射器入射面觀察，熔石英玻璃也沒有產(chǎn)生變色的現(xiàn)象。

表3是帶電粒子輻照前后激光反射率的測(cè)試結(jié)果，對(duì)波長(zhǎng)為632.8 nm的激光束，3件試樣在電子輻照后、質(zhì)子輻照后反射率均無明顯變化，說明熔石英玻璃在該譜段沒有產(chǎn)生輻致色心的吸收，同樣也說明材料中相應(yīng)的雜質(zhì)元素含量極低，一般認(rèn)為宇航級(jí)的熔石英玻璃雜質(zhì)元素含量低于1×10－6［7］。對(duì)于其他波段的反射率，輻照可能存在一定影響，由相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明［8，9］，在經(jīng)過帶電粒子輻照后，石英玻璃中的固有缺陷會(huì)產(chǎn)生E’色心等色心，會(huì)對(duì)近紫外波段光波產(chǎn)生一定吸收，但這種輻照效應(yīng)不會(huì)影響可見及紅外波段?？傊?，測(cè)試結(jié)果說明了低能帶電粒子輻照對(duì)鍍膜角反射器激光反射率的影響很小。

對(duì)經(jīng)過帶電粒子輻照的3件試樣進(jìn)行了5 000 ESH的紫外輻照。經(jīng)紫外輻照后，鍍膜角反射器反射膜膜層外觀完好，熔石英玻璃也沒有產(chǎn)生變色的現(xiàn)象。

表3 帶電粒子輻照前后鍍膜角反射器的激光反射率(λ=632.8 nm)

為了跟蹤紫外輻照過程中鍍膜角反射器激光反射率的變化規(guī)律，對(duì)紫外輻照過程中不同輻照劑量下角反射器的激光反射率進(jìn)行了測(cè)試，具體結(jié)果見圖3所示。在整個(gè)輻照過程中，對(duì)波長(zhǎng)為632.8 nm的激光束，3件試樣反射率均沒有明顯變化。高質(zhì)量的熔石英玻璃本身具備良好的抗紫外輻照性能，在近紫外輻照條件下，可以認(rèn)為輻照對(duì)材料的影響可以忽略，也就是說熔石英玻璃對(duì)反射率產(chǎn)生的影響可以忽略。紫外輻照對(duì)金屬反射膜本身的影響也可以忽略。重點(diǎn)在于膜層與石英玻璃界面的性狀有沒有受到紫外輻照的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示沒有明顯影響。

另外，由圖3可以看出，在試驗(yàn)后半程(輻照劑量超過2 200 ESH后)，反射率曲線趨于平穩(wěn)并出現(xiàn)略微增大的趨勢(shì)。這可以解釋為長(zhǎng)時(shí)間的紫外輻照改善了反射膜界面的散射情況從而提高了反射率?？傊?，近紫外輻照對(duì)鍍膜角反射器激光反射率的影響也很小。

圖3 紫外輻照劑量與鍍膜角反射器激光反射率對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

對(duì)采用磁控濺射法鍍制金屬反射膜的角反射器進(jìn)行了能量為100 keV、總注量為1.9×1014e/cm2的電子輻照試驗(yàn)和能量為100 keV、總注量為3.0×1014p/cm2的質(zhì)子輻照試驗(yàn)以及5 000 ESH的近紫外輻照試驗(yàn)，對(duì)于波長(zhǎng)為632.8 nm的激光，在輻照試驗(yàn)整個(gè)過程中，反射率沒有明顯變化，說明試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的低能帶電粒子輻照以及近紫外輻照對(duì)鍍膜角反射器光學(xué)性能影響很小，驗(yàn)證了鍍膜角反射器良好的空間輻照環(huán)境穩(wěn)定性。

另外，熔石英玻璃良好的抗輻照性能是鍍膜角反射器抗輻照性能的基礎(chǔ)。磁控濺射法鍍制的金屬反射膜可以滿足鍍膜角反射器未來空間應(yīng)用的要求?？梢哉f，高質(zhì)量的熔石英玻璃、高精度的玻璃加工工藝以及良好的反射膜膜層質(zhì)量在解決了鍍膜角反射器高反射率的同時(shí)，也決定了鍍膜角反射器良好的空間輻照環(huán)境穩(wěn)定性。

在進(jìn)一步的研究工作中，需改進(jìn)角反射器反射率測(cè)試方法，考察一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光反射率的變化情況，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為350 nm至2 000 nm激光的反射率測(cè)試。

［1］王元明，楊福民，陳婉珍.衛(wèi)星激光反射器有效反射面積的計(jì)算與測(cè)試［J］.光電工程，2007，34(10):25～29.

［2］萬強(qiáng).郭延龍.王小兵，等.衛(wèi)星激光測(cè)距合作目標(biāo)技術(shù)現(xiàn)狀和進(jìn)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2005，42(5):20～23.

［3］田海，李丹明，薛華，等.星用熱控涂層空間輻照環(huán)境等效模擬試驗(yàn)方法研究［J］.航天器環(huán)境工程，2009，26:24～27.

［4］劉海，張海生，楊德莊，等.入射質(zhì)子能量對(duì)銀膜反射鏡光學(xué)性能的影響［J］.材料科學(xué)與工藝，2007，17(4):524～526.

［5］楊生勝，王云飛，馮展祖，等.總劑量效應(yīng)模擬試驗(yàn)中的模擬源比較［J］.真空與低溫，2007，13(4):202～208.

［6］STUCKEY，MESHISHNEK M J.Solar ultraviolet and space radiation effects on inflatable materials［R］.Aerospace Report NO.TR－2000(8565)－9，2008－08－20.

［7］周永恒.石英玻璃及原料中羥基的研究［D］.北京:中國(guó)建筑材料科學(xué)院博士學(xué)位論文，2002.

［8］肖中銀，王廷云，羅文蕓，等.高能粒子輻照二氧化硅玻璃E'色心形成機(jī)理研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2008，57(4):2273～2277.

［9］鄧濤.石英玻璃及石英光纖的抗輻射性能研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.