空间带电粒子辐照对1 064 nm激光薄膜的性能影响

罗 坤，陈 光，李斌成( . 中国科学院光电技术研究所，成都 60209；2. 中国科学院大学，北京 00049 )



空间带电粒子辐照对1 064 nm激光薄膜的性能影响

罗 坤1，2，陈 光1，李斌成1
( 1. 中国科学院光电技术研究所，成都 610209；2. 中国科学院大学，北京 100049 )

摘要：在空间环境中运行的激光系统必须遭受带电粒子的辐照，光学薄膜往往是激光系统中最薄弱的环节，其性能和稳定性易受带电粒子辐照的影响。我们采用离子束溅射法制备了1 064 nm单波段双面增透膜样品，测得1 064 nm处透射率为99.964 5 %，吸收为50 ppm，用低能质子和电子(40 KeV)模拟空间带电粒子辐照样品，辐照通量为1.8×1013个/cm2，辐照引起样品1 064 nm处透射率下降362 ppm，吸收增加5 ppm；退火处理后，样品的光学性能恢复。结合SRIM程序模拟计算和分析，提出膜层内空位损伤是引起薄膜1 064 nm处光学性能退化的原因。

关键词：空间环境；带电粒子；光学薄膜；空位损伤

0 引 言

在激光系统特别是高功率激光系统中，即使光学元件性能微弱的变化也可能造成毁灭性的破坏。为增强光学元件的性能，元件表面往往会被镀上各种光学薄膜。作为激光系统中的薄弱环节，光学薄膜自然成为了限制激光器性能和寿命重要的因素。近年来，激光系统在空间领域的应用日益广泛，如火星轨道激光高度计(MOLA)、地球科学激光测高仪系统(GLAS)、大气激光多普勒仪(ALADIN)等。其中，MOLA设计服役至2006年11月而在2001年6月就停止传送高度数据，GLAS激光系统的性能逐月急剧退化[1-3]，这是因为空间环境是一个极其严酷的环境，激光系统在空间环境中运行，其性能和寿命都将面临新的威胁。美国国家航空航天局(NASA)经过多年的研究，认为空间环境中的威胁主要包括高真空、原子氧、紫外辐照、带电粒子辐照、剧烈的热循环、微流星体撞击等[4]。构成空间环境的每一因素对激光系统可靠性和寿命的影响都至关重要，空中飞行实验和地面加速模拟实验是研究空间环境对光学薄膜性能影响的两种途径，由于空中飞行实验周期长、花费巨大以及对测试样品数量和次数的限制，各国普遍采用地面加速模拟实验[5]。

综合模拟空间环境中所有因素的影响非常困难，作为空间环境中的重要因素之一，带电粒子辐照探测和模拟得到了广泛的关注。根据戈达德航天中心(GSFC)的研究显示，空间带电粒子以电子和质子为主，电子和质子的能量主要集中在2 MeV以下，能量越高通量越低，在距离地面1 400 km的轨道上，如果没有衰减的话，预计一年内的辐照通量最大为1014个/cm2。有研究发现低能质子(60 KeV)辐照引起薄膜性能退化反而比高能质子(30 MeV)更严重[6-8]。因此，我们可以用低能质子和电子模拟空间带电粒子对薄膜进行辐照实验。

尽管关于带电粒子辐照对大块材料、玻璃基底以及光学薄膜影响的研究较多[9-12]，但关于带电粒子辐照对1 064 nm激光薄膜光学性能影响的研究仍然缺乏。本文制备了0°入射角1 064 nm单波段双面增透膜样品，进行空间带电粒子模拟辐照实验后，结合SRIM(Stopping and Range in Ion Matter) 程序模拟质子注入的计算结果，分析了样品光学性能的变化。

1 实 验

采用离子束溅射法制备了0°入射角1 064 nm单波段双面增透膜样品，镀膜机型号为IBSD-1000型，离子源为美国Veeco公司生产的射频溅射源，系统使用低温泵抽真空，薄膜沉积时的工作压强为3.6×10-2Pa。样品参数如表1所示，其中H和L对应1/4参考波长，分别代表膜层材料HfO2和SiO2。

表1 样品参数Table 1 Characteristics of the sample

带电粒子辐照模拟实验在中国科学院北京空间科学中心进行，辐照装置真空度优于3×10-4Pa，辐照参数是结合辐照装置并根据航天器所在轨道高度一年内的实际辐照通量而设计，先进行质子辐照，辐照时长30 min，粒子能量为40 KeV，辐照通量为1.8×1013个/cm2，随后进行电子辐照，电子辐照参数与质子辐照参数相同。由于辐照过程中引入了污染，辐照后用无水酒精和乙醚的混合溶剂对样品进行擦拭，随后还进行了退火处理，设定温度200℃烘烤2 h。辐照前以及辐照后的每一次处理后，分别用Leica DM6000显微镜观察样品表面形貌；用Perkin-Elmer公司Lambda900型分光光度计测量样品的透射率光谱；用激光量热计测量样品1 064 nm处的吸收；为了得到辐照前后样品在1 064 nm处透射率的细微变化，且考虑到Lambda900的测量精度的限制，另外采用光腔衰荡法对样品1 064 nm处的透射率进行测量[13]，光腔衰荡法可精确测量高性能元件的透射率(透射率＞99.9%)，测量精度可达百万分之一，测量相对误差也在几个ppm以内。

2 结果及分析

图1分别给出了样品辐照前、辐照后、擦拭后及退火后测量的样品透射率曲线。由图可知辐照后样品的透射率曲线相比辐照前明显下降，在1 064 nm处的透射率只有96.7%。擦拭后的样品在测量范围内透射率整体上升，和辐照前样品的透射率曲线几乎重合，退火后样品的透射率曲线几乎没有什么变化。辐照前另外测得样品1 064 nm处的透射率为99.964 5±0.000 7%，吸收为50 ppm；擦拭后测得1 064 nm处的透射率99.928 3±0.000 7%，吸收为55 ppm；退火后再次测得样品1 064 nm处的透射率为99.978 5±0.000 7%，吸收为47 ppm，比辐照前样品的透射率还要高140 ppm，吸收也下降了3 ppm。

辐照后很明显可以看到表面有较薄的一层污染物，显微镜下可以看到许多黄色小液滴，直径为几微米到几十微米不等，可能由于辐照实验装置长期使用，装置的真空室内存在各种污染源；真空系统的前级泵为油泵，抽真空时会有少量油分子进入真空室形成污染；另外样品本身在真空环境下会释放在大气环境中吸附的物质形成污染。擦拭后再次用显微镜观察，样品表面的黄色液滴消失，样品的透射率曲线和辐照前几乎重合，且1 064 nm处的吸收与辐照前相当。因此，可以认为使用无水酒精和乙醚的混合溶剂擦拭能基本去除样品表面污染的影响；擦拭后样品1 064 nm处透射率仍下降362 ppm的主要原因是带电粒子辐照对样品产生了损伤。

图1 辐照前后样品的透射率曲线Fig.1 Transmittance curves of the sample before and after irradiation

SRIM程序基于蒙特卡罗方法(Monte Carlo)，可以模拟质子入射，还可以详细计算注入质子在变化过程中对样品造成的损伤等信息[14]，图2为SRIM模拟质子(40 KeV)入射在样品中的射程及空位分布，表2为入射质子的能量损失分布。其中注入质子设置为104个，以便程序获得可靠的计算结果，从图中可以看出质子以及产生的空位全部集中在表面膜层，对基底材料几乎没有作用；膜层中空位浓度非常小。据以往的研究可知[15]，带电粒子辐照对薄膜的作用分为电离效应和位移效应，电离效应能使某些薄膜内部产生色心缺陷，在紫外和可见波段形成较强的吸收，对红外波段影响较小。尽管电离能损高达98.08%，但在样品的测量范围内，我们并未发现存在某些较强的吸收波段使透射率明显下降，可以认为样品对电离效应并不敏感。因此，假设位移效应引起的空位损伤是导致样品1 064 nm处光学性能退化的主要原因。

图2 SRIM模拟质子注入 (a) 射程分布；(b) 空位分布Fig.2 Information of protons injection by SRIM simulation: (a) Ion ranges; (b) Vacancies ranges

表2 能量损失Table 2 Energy loss %

质子和样品膜层原子的质量相差很大，与膜层原子碰撞时，膜层原子获得的能量相当小，不足以产生空位而迅速回到平衡位置，只有极少数的空位产生，如表2所示空位能损仅占0.06%，不过由于软件默认膜层的密度为大块材料密度，另外原子的移位能在损伤累积时会减小，只要有局部的损伤，晶格之间耦合得更松散，原子更容易离位，而更多的损伤也容易形成，这些因素在模拟程序中均未被考虑，因而损伤可能被低估了。空位损伤破坏了膜层内原子结构，使得膜层光学常数发生变化，从而导致辐照后样品透射率轻微下降。高温烘烤时，膜层内原子振动加剧，那些因带电粒子辐照脱离平衡位置的原子获得能量重新回到平衡位置，还可能使得镀膜过程中产生的缺陷减少[16]，因此退火后样品的光学性能不仅恢复，而且透射率比辐照前增加140 ppm，吸收比辐照前下降3 ppm。

3 结 论

研究了低能质子和电子(40 KeV)辐照对1 064 nm激光增透膜样品光学性能的影响；辐照引起的空位损伤是导致样品1 064 nm处光学性能退化的主要原因；辐照过程中引入的污染可用无水酒精和乙醚的混合溶剂擦除；退火后样品的光学性能恢复且比辐照前略有提升。当然，由于文中所有测量并非实时测量，不能排除样品辐照后暴露在大气中的影响，且薄膜的内部结构比大块材料复杂得多，只有弄清楚带电粒子与薄膜相互作用的详细过程，才能了解带电粒子对薄膜样品的具体损伤，这些都有待进一步的研究。

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Effect of Space Charging Particles Irradiation on Performance of Laser Optical Films at 1 064 nm

LUO Kun1, 2，CHEN Guang1，LI Bincheng1
( 1. Institiute of Optics and Electronics, Chinise Academy of Sciences, Chengdu 610209, China; 2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China )

Abstract:Laser systems which operate in space environment must suffer irradiation of charging particles. Optical films are the weakest link in laser systems, and their performance and stability are easy to be affected by irradiation of charging particles. We prepared an anti-reflective film sample at 1 064 nm by Ion Beam Sputtering Deposition (IBSD), and the transmittance is 99.964 5% and the absorptance is 50 ppm at 1 064 nm. Then, used low energy protons and electrons (40 KeV) with fluencies of 1.8×1013eV/cm2to irradiate the sample for space charging particles simulation. The irradiation caused a transmittance decrease of 362 ppm and an absorptance increase of 5 ppm at 1 064 nm. After thermal annealing, the optical performance of the sample was recovered. We used SRIM simulation results to analyze the experimental results, and concluded that the vacancy damage is the reason for the optical performance degradation of the film at 1 064 nm.

Key words:space environment; charging particles; optical films; vacancies damage

作者简介：罗坤(1990-)，男(汉族)，湖南汨罗人。硕士研究生，主要从事空间环境对光学薄膜性能影响研究。E-mail: jonas9051@126.com。

收稿日期：2015-01-19； 收到修改稿日期：2015-04-17

文章编号：1003-501X(2016)02-0046-04

中图分类号：O484

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.02.008