管 爽，于 強(qiáng)，李 宇，王亞南，王 可，韓佳岐，鈕信尚，馬 彬*

（1. 同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

0 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，激光系統(tǒng)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。激光高反射薄膜是空間激光系統(tǒng)中激光產(chǎn)生和輸出部件的重要組成部分，其性能的變化會(huì)直接影響激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與地面環(huán)境所使用的薄膜有所不同，空間應(yīng)用的薄膜除了要滿足光學(xué)性能指標(biāo)外，還必須能夠抵抗復(fù)雜惡劣空間環(huán)境的影響。近地空間環(huán)境中的影響因素主要包括高真空、太陽(yáng)紫外輻照、帶電粒子輻射、原子氧、熱循環(huán)、微流星體及空間碎片撞擊等。這些因素將會(huì)造成薄膜材料的理化性質(zhì)改變，從而影響空間光學(xué)儀器的使用壽命。

國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)利用空間飛行實(shí)驗(yàn)和地面加速模擬試驗(yàn)來(lái)研究不同環(huán)境因素對(duì)空間環(huán)境下薄膜性能的影響。美國(guó)航空航天局（NASA）通過(guò)將多種激光薄膜和基底材料搭載在國(guó)際空間站的LDEF（Long Duration Exposure Facility）上，獲得了不同薄膜的光譜性能衰減規(guī)律和材料表面形貌變化；上海衛(wèi)星裝備研究所、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所等研究機(jī)構(gòu)也通過(guò)地面裝置開展模擬試驗(yàn)，獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

帶電粒子輻照作為空間環(huán)境中的重要影響因素，其探測(cè)和模擬得到了廣泛關(guān)注。在低地球軌道，空間帶電粒子以質(zhì)子和電子為主，質(zhì)子和電子的分布和密度隨軌道高度不同而變化，能量越高通量越低，在距地約1000 km 的軌道高度上，電子和質(zhì)子能量主要集中在2 MeV 以下，年輻照注量約為10cm。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在帶電粒子輻照損傷機(jī)制的理論探究和樣品輻照前后的宏觀變化，而涉及質(zhì)子輻照對(duì)光學(xué)元件激光損傷閾值的研究相對(duì)較少，特別是對(duì)其作用規(guī)律和機(jī)制尚不完全明確。

本文重點(diǎn)研究低能質(zhì)子輻照對(duì)高反射薄膜激光損傷性能的影響。采用電子束蒸發(fā)法制備了高反射薄膜樣品，進(jìn)行低能質(zhì)子輻照模擬試驗(yàn)，采用定點(diǎn)原位測(cè)量技術(shù)測(cè)量輻照前后樣品同一區(qū)域的微觀形貌和粗糙度等信息；結(jié)合高分辨光熱吸收測(cè)試，獲得輻照前后選定區(qū)域的光熱吸收?qǐng)D像，明確輻照對(duì)薄膜光熱吸收性能的影響；分別采用單脈沖和多脈沖激光損傷閾值測(cè)量方法，表征各類微小初始破壞的激光損傷閾值及其對(duì)元件光學(xué)性能的影響。結(jié)合SRIM 程序模擬低能質(zhì)子注入的計(jì)算結(jié)果，定量分析特定角度和能量下低能質(zhì)子入射至靶材中的傳輸軌跡和數(shù)密度分布。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 樣品準(zhǔn)備

通過(guò)電子束蒸發(fā)工藝在30 mm×5 mm 的熔融石英基板上鍍制了1064 nm/532 nm/355 nm 三波段高反射薄膜（高反膜），鍍膜機(jī)型號(hào)為OTFC-3000。圖1 為所設(shè)計(jì)三波段高反膜的膜層厚度分布，反射膜采用HfO/SiO膜堆，共計(jì)79 層，膜系結(jié)構(gòu)為0.327(0.8H 1.2L)^17 (0.7H 1.3L)^22 L，其中H 代表45°入射下的1/4 波長(zhǎng)厚度的HfO單層膜，L 代表45°入射下的1/4 波長(zhǎng)厚度的SiO單層膜，0.327 代表中心波長(zhǎng)在0.327L，使用角度為45°。

圖1 三波段高反膜膜系設(shè)計(jì)示意Fig. 1 Configuration of the three-band high-reflective membrane

1.2 質(zhì)子輻照試驗(yàn)設(shè)備

質(zhì)子輻照模擬試驗(yàn)在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所進(jìn)行，所用設(shè)備為800 mm綜合輻照試驗(yàn)設(shè)備，真空度為3.5×10～5×10Pa，束流不均勻度10%，束流不穩(wěn)定性±4%，樣品臺(tái)溫控為25 ℃。在近地空間環(huán)境中，隨質(zhì)子能量降低，通量呈增加趨勢(shì)，能量在200 keV 以下的低能質(zhì)子比高能質(zhì)子通量高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備能力，本研究選擇的質(zhì)子輻照能量為40 keV，通量為2.5×10cm·s，累積通量為1.0×10cm，對(duì)直徑30 mm 的樣品進(jìn)行全區(qū)域輻照。

1.3 分析表征方法

利用安捷倫公司生產(chǎn)的Cary 7000 紫外–可見–近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行光譜測(cè)試，測(cè)試范圍為300～1500 nm，測(cè)試角度為45°。

利用Bruker 公司生產(chǎn)的Dimension Icon 原子力顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)。通過(guò)工裝的限位和壓痕標(biāo)記點(diǎn)的二次定位，對(duì)質(zhì)子輻照試驗(yàn)前后的樣品用同樣方法對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)高精度原位測(cè)量。

光熱吸收測(cè)試在合肥知常光電有限公司進(jìn)行，分別采用355 nm、532 nm 和1064 nm 工作波長(zhǎng)的高分辨光熱顯微掃描系統(tǒng)對(duì)輻照前后的樣品進(jìn)行掃描成像，掃描步距為2 μm，掃描區(qū)域?yàn)?00 μm×300 μm，掃描點(diǎn)數(shù)量為150×150。

利用Spectra Physics 的Nd:YAG 激光器，搭建了激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試光路及裝置如圖2所示，激光器的主要參數(shù)如表1 所示。損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)由能量調(diào)節(jié)區(qū)域、聚焦區(qū)域和損傷監(jiān)測(cè)區(qū)域組成。損傷在線觀測(cè)設(shè)備采用配備了70～700 倍目鏡的HIROX 長(zhǎng)距顯微鏡和Spiricon SP620U 的CCD組合來(lái)獲得μm 尺度成像分辨率的圖像實(shí)現(xiàn)在線觀察，結(jié)合微分干涉顯微鏡的離線檢查判斷樣品是否發(fā)生損傷，以準(zhǔn)確獲得激光損傷的數(shù)據(jù)。

圖2 激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)Fig. 2 Schematic diagram of the laser damage threshold measurement system

表1 激光器參數(shù)Table 1 Parameters of the laser device

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 光譜測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)低能質(zhì)子輻照，三波段高反膜樣品的光譜透過(guò)率曲線如圖3 所示，測(cè)試波段為300～1500 nm，其中藍(lán)色和紅色曲線分別代表輻照前和輻照后的測(cè)試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)輻照前后的光譜測(cè)試曲線基本一致，且與設(shè)計(jì)值相吻合。研究表明，材料的光譜變化與輻照質(zhì)子的能量、通量有直接關(guān)系，而對(duì)于低能質(zhì)子輻照，能量的影響相對(duì)較小，光譜變化主要是隨著通量的增加而透過(guò)率降低。因此推測(cè)，由于本文中輻照質(zhì)子能量較低（40 keV），累積通量較小（1.0×10cm） ，并未對(duì)樣品的光譜透過(guò)率產(chǎn)生明顯影響。

圖3 低能質(zhì)子輻照前后樣品的透過(guò)率曲線Fig. 3 Transmittance curve of the sample before and after the low-energy proton irradiation

2.2 顯微形貌測(cè)量結(jié)果分析

為了探究40 keV 質(zhì)子輻照對(duì)HfO/SiO三波段高反膜表面的破壞效果，通過(guò)原子力顯微鏡在質(zhì)子輻照前后對(duì)同一樣品的相同區(qū)域（面積5 μm×5 μm）進(jìn)行原位測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示。通過(guò)對(duì)比圖像可知，高反射薄膜的表面形貌無(wú)明顯變化，輻照前、后樣品的粗糙度分別為2.41 nm、2.45 nm，基本相同。

圖4 質(zhì)子輻照前后樣品的表面形貌Fig. 4 Surface topography of the sample before and after the proton irradiation

2.3 光熱吸收測(cè)試結(jié)果分析

材料的光熱吸收特性是影響薄膜性能的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)比光熱吸收強(qiáng)度的差異可以判定單個(gè)缺陷成為激光損傷源頭的可能性，分析薄膜整體損傷性能。因此，對(duì)樣品的同一區(qū)域在質(zhì)子輻照前后進(jìn)行光熱吸收對(duì)比測(cè)試，3 種工作波長(zhǎng)的光熱吸收相對(duì)值測(cè)試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，質(zhì)子輻照后3 種工作波長(zhǎng)下薄膜的光熱吸收相對(duì)值均較輻照前小幅增加，其原因是質(zhì)子輻照可能導(dǎo)致光學(xué)元件產(chǎn)生缺陷，從而使光學(xué)元件表面吸收增強(qiáng)。具體來(lái)講就是，材料的光熱吸收特性對(duì)nm 級(jí)強(qiáng)吸收源、亞μm 尺度缺陷以及元件的整體吸收強(qiáng)度均十分敏感，而光譜測(cè)試和原子力顯微測(cè)試難以檢測(cè)到nm 級(jí)缺陷，結(jié)合光譜測(cè)試和顯微形貌測(cè)試結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子輻照導(dǎo)致的破壞應(yīng)該是在材料內(nèi)部形成的微小晶格缺陷，從而造成材料光熱吸收強(qiáng)度的小幅增加。圖5 所示為532 nm 工作波長(zhǎng)下樣品的光熱吸收測(cè)試圖像。

表2 不同工作波長(zhǎng)下的光熱吸收相對(duì)值測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of relative photothermal absorptions of three operation wavelengths

圖5 樣品同一區(qū)域在質(zhì)子輻照前后的光熱吸收?qǐng)D像（工作波長(zhǎng)為532 nm）Fig. 5 Photothermal absorption images before and after irradiation (of operation wavelength of 532 nm)

2.4 激光損傷閾值測(cè)試結(jié)果分析

激光損傷閾值測(cè)試采用S-on-1、R-on-1、光柵掃描3 種方式。S-on-1 測(cè)試按照ISO 21254 標(biāo)準(zhǔn)，采用多個(gè)能量密度遞增的方式進(jìn)行，每個(gè)激光能量密度下對(duì)個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行激光損傷閾值測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的計(jì)劃輻照次數(shù)為：在次脈沖輻照過(guò)程中，如果在一個(gè)測(cè)試點(diǎn)未滿次輻照下樣品已經(jīng)發(fā)生損傷則快速關(guān)閉快門，并移至下一個(gè)測(cè)試點(diǎn)；如果一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輻照次數(shù)已滿次而未發(fā)生損傷，亦移至下一個(gè)測(cè)試點(diǎn)繼續(xù)測(cè)試。本研究將設(shè)為10，每組能量密度誘導(dǎo)10 個(gè)區(qū)域，每個(gè)誘導(dǎo)損傷位置間隔為光斑尺寸的10 倍，以盡量減小由于損傷生長(zhǎng)對(duì)樣品造成大規(guī)模破壞而影響損傷閾值測(cè)試結(jié)果的可能。記錄下每個(gè)激光誘導(dǎo)位置的測(cè)試結(jié)果，結(jié)合Normaski 顯微鏡的離線對(duì)照，確定每組能量密度下?lián)p傷點(diǎn)的個(gè)數(shù)，最終得出損傷概率，從而計(jì)算出樣品的損傷閾值。S-on-1 測(cè)試表征的是隨機(jī)的、一定數(shù)目測(cè)量區(qū)域的激光損傷閾值。圖6 為3 種工作波長(zhǎng)下S-on-1 測(cè)試得到的損傷閾值線性擬合結(jié)果。

圖6 S-on-1 測(cè)試得到的損傷閾值線性擬合Fig. 6 Linear fitting of damage threshold by the S-on-1 method

對(duì)圖6 進(jìn)行分析可知：在1064 nm 的工作波長(zhǎng)下，輻照前后的損傷閾值分別為67.06 J/cm和52.36 J/cm，降幅為21.92%；在532 nm 的工作波長(zhǎng)下，輻照前后的損傷閾值分別為10.48 J/cm和7.76 J/cm，降幅為25.95%；在355 nm 的工作波長(zhǎng)下，輻照前后的損傷閾值分別為2.94 J/cm和1.98 J/cm，降幅為32.65%?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)40 keV 質(zhì)子輻照后三波段高反膜在3 個(gè)工作波長(zhǎng)下的損傷閾值均明顯降低。

與S-on-1 測(cè)試不同，R-on-1 測(cè)試是在同一測(cè)試點(diǎn)以最低能量密度為初始能量密度誘導(dǎo)，再等間隔增加能量梯度直至損傷，得出該點(diǎn)的損傷閾值，表征的是測(cè)量區(qū)域在激光預(yù)處理下的最高激光損傷閾值；光柵掃描是以激光光斑直徑的90%為光柵掃描光斑直徑，光斑相切，通過(guò)調(diào)節(jié)移動(dòng)電機(jī)的速率來(lái)控制，掃描面積為3 mm×3 mm，表征的是測(cè)量區(qū)域內(nèi)極弱點(diǎn)的激光損傷性能，適合評(píng)價(jià)面向工程應(yīng)用、全口徑范圍光學(xué)元件的整體激光損傷性能。1064 nm 工作波長(zhǎng)下3 種測(cè)量方式測(cè)得的樣品輻照前后損傷閾值對(duì)比結(jié)果為：S-on-1 測(cè)試得到輻照前后的損傷閾值分別為67.06 J/cm和52.36 J/cm；R-on-1 測(cè)試得到輻照前后的損傷閾值分別為141.30 J/cm和119.56 J/cm，光柵掃描測(cè)試得到輻照前后的損傷閾值分別為46.74 J/cm和41.30 J/cm?？梢钥吹剑捎貌煌瑴y(cè)試方式所得到的結(jié)果均顯示經(jīng)40 keV 質(zhì)子輻照后三波段高反膜的損傷閾值明顯降低。

2.5 小結(jié)

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果分析可以看出，質(zhì)子輻照前后三波段高反膜（多層膜）的光譜特征、表面形貌、光熱吸收特性沒(méi)有明顯差異，但質(zhì)子輻照仍然造成其激光損傷閾值顯著降低。這說(shuō)明經(jīng)質(zhì)子輻照后產(chǎn)生了常規(guī)檢測(cè)手段無(wú)法甄別出的差異。為了進(jìn)一步探究質(zhì)子輻照的作用機(jī)制，需要對(duì)入射質(zhì)子和靶材料交互作用進(jìn)行模擬仿真。

3 SRIM 模擬與分析

本文利用SRIM 軟件對(duì)入射質(zhì)子和靶材料交互作用進(jìn)行蒙特卡羅模擬仿真。分別對(duì)40 keV 質(zhì)子輻照HfO/SiO三波段高反膜（多層膜）、SiO單層膜、HfO單層膜進(jìn)行模擬，其中注入低能質(zhì)子數(shù)量設(shè)置為10個(gè)，以便提高運(yùn)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。通過(guò)輻照過(guò)程中的粒子軌跡、射程分布、能量損失和缺陷產(chǎn)生的情況，分析輻射效應(yīng)機(jī)制，闡述粒子在材料中輸運(yùn)的具體過(guò)程。

圖7 所示為SRIM 軟件模擬40 keV 質(zhì)子入射到3 種材料過(guò)程中的粒子軌跡。

圖7 SRIM 模擬低能質(zhì)子注入軌跡Fig. 7 SRIM simulation of proton injection trajectory in reflective film

圖8 為40 keV 質(zhì)子入射至3 種材料中的質(zhì)子數(shù)密度分布。可以看出，3 個(gè)過(guò)程中質(zhì)子數(shù)密度隨入射深度的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。對(duì)于多層膜而言，質(zhì)子主要集中在0.35～0.48 μm 的深度范圍，在0.42 μm處出現(xiàn)數(shù)密度最大值；對(duì)于SiO單層膜而言，質(zhì)子數(shù)密度在0.55 μm 處出現(xiàn)最大值；對(duì)于HfO單層膜而言，質(zhì)子數(shù)密度在0.4 μm 處出現(xiàn)最大值。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子入射至HfO膜的最大射程明顯短于在SiO膜中的。這是由于材料的阻止本領(lǐng)與質(zhì)子入射的能量以及質(zhì)子在靶材中的密度分布密切相關(guān)，且高原子序數(shù)和高密度的物質(zhì)具有較高的阻止本領(lǐng)。HfO的密度為7.368 g/cm，SiO的密度為1.873 g/cm，Hf 的原子序數(shù)大于Si 的原子序數(shù)，這是造成質(zhì)子入射至這2 種單層膜時(shí)產(chǎn)生差異的主要原因。

圖8 SRIM 模擬低能質(zhì)子入射徑向數(shù)密度分布Fig. 8 SRIM simulates radial concentration distribution of low-energy proton incident reflective films

通過(guò)分析圖7(a)和圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)，輻照過(guò)程中質(zhì)子主要集中在表面膜層，對(duì)內(nèi)部膜層和基底材料幾乎沒(méi)有影響。這是由于入射粒子在材料中的射程與其能量成正比，40 keV 低能質(zhì)子在材料中射程較小，導(dǎo)致其在材料的表層有較大吸收劑量，從而主要對(duì)材料的表面性能產(chǎn)生影響。當(dāng)質(zhì)子由SiO入射至HfO靶時(shí)，受到的阻力明顯增大，這也符合之前的模擬結(jié)果。

帶電粒子產(chǎn)生的輻照損傷效應(yīng)主要表現(xiàn)為電離、聲子激發(fā)和原子置換。SRIM 軟件計(jì)算得到，質(zhì)子入射至本文所研究的3 種靶材的過(guò)程中能量損失均以電離能損為主。下面僅對(duì)HfO/SiO三波段高反膜進(jìn)行分析，其電離能損高達(dá)98.17%，電離效應(yīng)能使材料的內(nèi)部產(chǎn)生色心缺陷。對(duì)于激光損傷來(lái)講，亞nm 尺度的微缺陷就會(huì)造成吸收中心，導(dǎo)致局部誘導(dǎo)激光損傷，這種極其微弱的缺陷對(duì)光子能量的吸收所產(chǎn)生的電離過(guò)程往往就是多光子吸收過(guò)程。多光子吸收激發(fā)禁帶電子至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶電子通過(guò)光電場(chǎng)加速作用或自由載流子吸收被激發(fā)至更高能態(tài)，隨后多余能量通過(guò)雪崩轉(zhuǎn)移到晶格或產(chǎn)生電子–聲子效應(yīng)即晶格加熱，從而極大地降低材料的激光損傷閾值。而較高密度的色心才會(huì)導(dǎo)致光譜的明顯漂移，這就說(shuō)明低能質(zhì)子輻照后，雖然材料的透光率無(wú)明顯變化，但激光損傷閾值明顯降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了40 keV 質(zhì)子輻照對(duì)HfO/SiO三波段高反膜光學(xué)性能的影響。通過(guò)地面輻照模擬裝置結(jié)合不同的分析表征手段，得到輻照質(zhì)子能量為40 keV、累積通量為1.0×10cm時(shí)，對(duì)材料的光譜特性無(wú)明顯影響；輻照后，樣品顯微形貌基本不變，光熱吸收特性差異不大，但激光損傷閾值明顯降低。SRIM 模擬的結(jié)果表明，質(zhì)子入射HfO/SiO三波段高反膜后的能量損失以電離能損為主，也正是這一效應(yīng)導(dǎo)致材料的色心缺陷，使樣品在強(qiáng)激光作用下發(fā)生晶格破壞，從而導(dǎo)致激光損傷閾值降低。

上述工作有助于后續(xù)深入開展多種因素耦合作用對(duì)空間高反射薄膜的激光損傷性能影響的研究。計(jì)劃在未來(lái)試驗(yàn)中制備單層高反膜，并同步進(jìn)行輻照試驗(yàn)研究。