鍍膜角反射器空間輻照環(huán)境效應(yīng)研究

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)重點實驗室，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)與物理重點實驗室，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)用于激光測距、激光通信等領(lǐng)域。在用于衛(wèi)星激光測距時，星上角反射器和地面激光測距站合作，共同完成地面與衛(wèi)星之間的精密測距工作，所以角反射器也被稱為激光測距的合作目標(biāo)。有效反射面積是角反射器的一項重要參數(shù)，其大小決定了反射回地面測距站的激光信號的強弱［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，延長地面測距站對在軌衛(wèi)星的跟蹤弧段。目前，鍍膜角反射器在國外已廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星激光測距領(lǐng)域，ADEOS地球觀測衛(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。

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

2 試驗過程

2.1 鍍膜角反射器結(jié)構(gòu)與反射率測試

角反射器由宇航級的熔石英玻璃加工而成，是由3個相互垂直的直角面(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。鍍制的反射膜厚度均勻，附著力良好。通過測試角反射器的激光反射率評價反射膜的膜層質(zhì)量和光學(xué)品質(zhì)。

由于角反射器特有的“回射”功能特點，無法用一般的光學(xué)檢測儀器對其反射率進(jìn)行直接測量，搭建了如圖2所示的角反射器反射率測試平臺，其中激光源為He－Ne激光器，激光波長為632.8 nm，監(jiān)測功率計用于實時檢測激光器的發(fā)射功率P1，出射光功率計用于檢測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試原理圖

角反射器對特定波長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為632.8 nm的反射率。在測試激光反射率時，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)測功率計內(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內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測功率計和出射光功率計分別測得功率值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算公式

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

對于波長為632.8nm的激光，制備的鍍膜角反射器樣品實測反射率均達(dá)到0.80以上。

2.2 輻照試驗

激光測距的功能特點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。帶電粒子輻照試驗和紫外輻照試驗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。同時對3件鍍膜角反射器試樣進(jìn)行了試驗。先進(jìn)行電子輻照試驗，然后進(jìn)行質(zhì)子輻照試驗，最后進(jìn)行紫外輻照試驗。

衛(wèi)星上使用的角反射器是以若干個角反射器組成陣列的形式出現(xiàn)的，每個角反射器安裝在金屬套筒中并固定于一定形狀的基座上。實際應(yīng)用時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)星的激光測距任務(wù)，說明熔石英玻璃具備優(yōu)良的抗輻照性能。考慮到實際應(yīng)用時石英結(jié)構(gòu)和金屬套筒對帶電粒子一定的屏蔽作用，而本試驗重點考察的是反射膜，所以帶電粒子輻照以鍍膜角反射器的反射面為輻照面，直接驗證反射膜的抗輻照性能。對于帶電粒子的能量選擇，目前各國輻照環(huán)境試驗參數(shù)都有一定差異，表面薄膜材料的試驗評價以中低能帶電粒子的輻照為共性趨勢。因為帶電粒子輻照試驗時，在光學(xué)吸收層以外的能量傳遞不會對材料的光學(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［3～5］。

紫外輻照以鍍膜角反射器的入射面為輻照面。對于紫外輻照參數(shù)的確定，根據(jù)國外研究經(jīng)驗表明，從紫外退化角度看，5 000 ESH(等效太陽小時)足以反映空間太陽紫外環(huán)境對材料的退化作用［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)境對材料性能退化影響的試驗研究。

綜上所述，結(jié)合試樣特點與設(shè)備條件，確定了輻照試驗條件，電子、質(zhì)子輻照試驗條件見表1所列，紫外輻照試驗條件見表2所列。其中，表1所列的電子、質(zhì)子輻照總注量較小，是因為考慮了角反射器的結(jié)構(gòu)特點，模擬作用于角反射器反射膜的實際輻照量，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條件

表2 鍍膜角反射器紫外輻照試驗條件

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)缺陷的存在也會產(chǎn)生輻照衰退效應(yīng)，缺陷在經(jīng)過輻照后會產(chǎn)生相應(yīng)的色心，從而對特定譜段的光產(chǎn)生吸收。常用激光波長對應(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，同時也驗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試結(jié)果，對波長為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)為宇航級的熔石英玻璃雜質(zhì)元素含量低于1×10－6［7］。對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產(chǎn)生E’色心等色心，會對近紫外波段光波產(chǎn)生一定吸收，但這種輻照效應(yīng)不會影響可見及紅外波段?？傊瑴y試結(jié)果說明了低能帶電粒子輻照對鍍膜角反射器激光反射率的影響很小。

對經(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)行了測試，具體結(jié)果見圖3所示。在整個輻照過程中，對波長為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)為輻照對材料的影響可以忽略，也就是說熔石英玻璃對反射率產(chǎn)生的影響可以忽略。紫外輻照對金屬反射膜本身的影響也可以忽略。重點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，試驗結(jié)果顯示沒有明顯影響。

另外，由圖3可以看出，在試驗后半程(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。這可以解釋為長時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應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

對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的電子輻照試驗和能量為100 keV、總注量為3.0×1014p/cm2的質(zhì)子輻照試驗以及5 000 ESH的近紫外輻照試驗，對于波長為632.8 nm的激光，在輻照試驗整個過程中，反射率沒有明顯變化，說明試驗對應(yīng)的低能帶電粒子輻照以及近紫外輻照對鍍膜角反射器光學(xué)性能影響很小，驗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。可以說，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，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)角反射器反射率測試方法，考察一定波長范圍內(nèi)的激光反射率的變化情況，實現(xiàn)波長為350 nm至2 000 nm激光的反射率測試。

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