航天器激光防護材料研究現狀與發展趨勢

馮守志，圣冬冬

（上海航天信息研究所，上海 201109）

0 引言

進入新世紀以來，各種軍用衛星作為作戰指揮員的“耳目”和“神經中樞”，在現代高科技戰爭中已具有舉足輕重的地位，而用于攻擊這些軍用衛星的各種反衛星武器也處在快速開發中，其最終目的是使敵方指揮、控制、通信、情報系統陷于癱瘓，從而獲取戰爭的勝利。激光武器就是這類反衛星武器中的重要成員。激光武器運用極細的強激光光束向航天器瞄準照射，通過高熱、電離、沖擊和輻射等綜合效應，使運行于軌道上的航天器的傳感器、光電儀器或航天器本體遭受毀滅性破壞。因航天器的軌道可測量，航天器相對地面運動的角速度不算太快，故對激光武器瞄準系統的精度要求并不苛刻，加之航天器的光電系統結構設計相對脆弱，破壞閾值較低，易遭攻擊。在激光武器中，較成熟的是地基中紅外高能激光器和天基紅外化學激光器［1］。

針對激光武器的巨大威脅，衛星的防護特別是對航天器上的光電傳感器的防護需求顯得越來越緊迫。傳感器作為微弱信號探測設備，對進入其視場的特定波段電磁信號有很高的靈敏度，當它吸收的能量超過破壞閾值時就會喪失部分或全部光學、電學性能，因此航天器激光防護材料研究在各國已相繼展開。目前發展的主要激光防護材料有基于線性光學原理、基于非線性光學原理和基于相變原理的激光防護材料。其中：基于線性光學原理的激光防護材料屬于波長防護型材料，基于非線性光學原理和相變原理的激光防護材料屬于光強防護型材料。本文對航天器激光防護材料研究現狀與發展趨勢進行了綜述。

1 基于光學線性原理的激光防護材料

在20世紀六七十年代，基于線性光學原理的激光防護技術獲得了快速發展，主要包括吸收型、反射型和吸收／反射復合型、衍射型、爆炸型、光電型等激光防護技術等形式，后來又發展了利用全息光學原理設計的激光防護技術。

美陸軍納蒂克研究中心研制一種組合式層狀結構防護鏡，利用了多層介質膜對特定波長激光的反射衰減達到激光防護效果，據報道可防護波長532，694，1 064nm三種激光，光密度（OD）為4，可見光透過率（VLT）達73%，主要缺點是玻璃箔易損。目前國內專利報道在有色濾光片上用真空電子束蒸鍍制備高反膜（膜系為Sub／（HL）11H2L／Air，最外層加鍍了SiO2半波覆蓋層），高反膜的損傷閾值為15.3J／cm2，對某一波段具高反射性，而對其他波段則有高透射性及抗化學浸蝕性。專利用濺射法制備了Sub／（HL）pH2L／Air（p＝9～15）防護膜，對波長1.06，1.315μm的激光高反射，可見光則高透過。

但總的說來，該類波長防護型材料只對波長敏感，對強度不敏感，對波長相同強度不同的光輻射具有同樣的透射率。該特性使其只能防護單波長激光，防護帶寬較窄，不能區分同一波長的強光和弱光，在阻止某一波長強激光破壞的同時，也阻止了該波長弱光的接收。當入射激光輻射波長與光電傳感器工作波長相同時，光電傳感器就不能接收正常信號；反之，欲接收信號就不能防激光致盲，兩種功能不能兼顧，且響應時間較長，在選用或設計該類防護技術時，需折中考慮傳感器正常工作的要求和防護技術的要求。另一方面在未來戰爭中很難預知敵方激光武器的光源波長，實際使用中存在一定的局限性。采用光強防護型型材料是今后的發展趨勢。

2 基于非線性光學原理的激光防護材料

20世紀80年代發展了基于非線性光學原理的激光防護技術。這種新型激光防護技術亦被稱為光限幅（OL）技術，主要利用三階非線性光學效應，是一種有前途的光強型激光防護材料［2］。

非線性光限幅的物理過程如圖1所示。當激光入射介質時，在低入射光能Ei下，介質的線性透射率較高，輸出光能隨入射光強增加而線性增大；在高光能下，因介質的非線性光學效應使透射率下降，當入射光強達到一定閾值Eth后，輸出光能被限制在接近Ec的一定的光強范圍內不再增加，直到過強的光能ED使器件的材料發生破壞。理想情況下，Eth被稱為光限幅的輸入閾值，一般定義為限幅器非線性透射率降低至線性透射率一半時的輸入能量；限幅能量Ec被稱為輸出箝位值；ED為器件的損傷能量閾值。

圖1 光限幅Fig.1 Optical limiting

與線性光學材料相比，光限幅器的優點是防護動態范圍大、響應波段寬、響應速度快、可見光透射率高。基于非線性光學原理可分為非線性吸收、非線性折射、非線性散射、非線性反射，以及多種非線性光學效應復合光限幅等。隨著自由電子激光的發展，激光武器的發展趨勢是波長可調諧，防護效果與波長無關的非線性防護技術將是未來發展的方向。但目前非線性激光防護技術多處于早期研究階段，距實際應用有一定差距。

非線性光學材料對波長和光強均敏感，故對相同波長的強光和弱光入射時的作用并不相同，能阻止強能量激光透過同時不影響低能量的可見光透過。根據非線性光學原理，在弱光作用時，不能產生非線性光學效應，允許弱光透過；在有強光作用時，非線性光學材料產生非線性效應，阻止強光的透過，且如材料對入射光的色散小，原理上可實現對寬波段連續可調諧激光的防護。非線性光學材料克服了線性光學防護方法的缺點，同時兼顧了同一波長的高光學密度和高透明度兩個指標，當激光波長與光電傳感器工作波長相同時，能兼顧光電傳感器接收信號與激光致盲防護兩種功能。

具有光限幅效應的材料多為高分子光限幅材料，主要有富勒烯C60、碳納米管、卟啉、金屬酞菁、聚炔等非線性反飽和吸收材料。不同材料的非線性機制各異，早期研究的非線性材料以無機晶體為主，但因高質量的單晶生長困難，價格昂貴，無法滿足迅速發展的光通信、光信號處理需要的較高要求，難以滿足高容量、高速度、高頻寬和易加工性等的要求，實際應用受到了極大限制。因此，為適應科技的飛速發展，對非晶體材料尤其是有機高分子光限幅材料進行了大量研究。

a）富勒烯C60

富勒烯是全碳分子的一系列籠形單質分子的總稱，包括C60、C70、C84、碳納米管等，是20世紀80年代發現的新型碳材料。與石墨、金剛石一樣，富勒烯是碳的一種同素異形體，因獨特的籠狀結構和物理化學性質，而有廣闊的應用前景。

富勒烯C60是由60個碳原子構成的一個球形，具有三維的球面介電子共軛結構（如圖2所示），有更強的光學非線性。它的光限幅效應時間短、限制頻帶寬，在低光強激發下線性透過率較高，輸出光強隨入射光強增加近似線性增加，而在高光強激發下介質的非線性透過率較低。當入射光功率達到一定閾值后，隨著入射光強的增加，輸出光強被限制在一定范圍內［3］。因此，利用C60在可見光、近紅外的光限幅特性，其摻入光學玻璃可實現制導系統對可見光、近紅外和可調諧激光的防護。

圖2 C60分子結構Fig.2 C60molecular structure

b）碳納米管

碳納米管自1991年被日本NEC公司的Iijima首次發現以來，特別是單壁碳納米管的發現和批量合成成功后，引起了廣泛的關注。近年來，實驗發現碳納米管在光限幅中表現出良好的性質，其光限幅帶寬大、響應時間短、限幅閾值較低，使其成為繼C60后又一理想的光限幅材料，是物理學、化學和材料科學等學科中最前沿的研究領域之一。

對碳納米管光限幅的機理，目前尚無統一認識，還需進一步研究。有認為是非線性吸收（反飽和吸收，多光子吸收），也有認為是非線性折射和非線性散射。最近的研究還表明，可溶性碳納米管的非線性吸收不同于C60的三重態－三重態激發態吸收，而是單態－單態激發態吸收。

c）卟啉

卟啉是在卟吩環上連有取代基的一類大環化合物的總稱。卟吩是由4個吡咯環和4個次甲基橋聯成的大π共軛體系，是平面型分子，具有芳香性。卟啉的命名目前使用的原子編號法有兩種，如圖3所示。吡咯環間的碳（5，10，15，20或α，β，γ，δ）被稱為中位（meso）。當卟啉氮原子上2個質子被金屬取代時，即為金屬卟啉。

卟啉具有很大的π共軛體系，電子離域程度大，使其三階非線性響應特性非常顯著。高的三階非線性響應特性為其作為光限幅材料提供了基礎。研究表明：卟啉的光限幅效應不僅體現在可見光區，隨結構的調整亦可達近紅外區，可用于對寬波段可調諧激光武器的防護。此外，由于卟啉及卟啉的衍生物的光限幅效果明顯，響應速度快，它還適于防護高能量高密度激光。另外，卟啉金屬配合物還可提高其三階非線性的光學性質。因此，卟啉類材料的研究己成為非線性光學理論中的熱點。

d）金屬酞菁

酞菁（Pc）是由4個異吲唑單元組成的平面共軛大環體系，與天然存在的化合物卟啉類似，將卟啉的母核卟吩4個meso位上的碳原子換成氮原子，并在周邊位置并上苯環4個，就構成了酞菁，酞菁有時也被稱為四苯并氮雜卟啉。但與卟啉不同，酞菁是一種人工合成的化合物，當金屬原子M取代了位于酞菁分子中心的2個氫原子后，酞菁與金屬元素結合可生成金屬酞菁（MPc）。

金屬酞菁及其衍生物是一種重要的反飽和吸收化合物，具有18個高度共軛的π電子體系，并且可以通過分子剪裁，如改變其周邊取代基、軸向配體、共軛結構的大小以及插入中心金屬等改變其物理化學性質。金屬酞菁具有良好的化學穩定性和熱穩定性，較大的三階非線性系數和較快的非線性光學（NLO）響應速度，良好的光限幅性能和激光防護效果，這點與C60及其有機／高分子衍生物相類似，在光限幅材料研究中備受關注，顯示出良好的應用前景。

e）聚炔類材料

自20世紀70年代以來，聚炔類激光防護材料引起了極大關注。聚炔類材料具很強的π電子離域能力，易極化，故響應時間快，三階非線性光學系數大，是一種較好的非線性光學材料。

目前，聚炔化合物光限幅性能的研究尚還處于萌芽階段。合成出新的具有大χ（3）值，激發態吸收截面大的聚炔化合物，是研制新型光限幅材料重要途徑之一。

3 基于相變原理的激光防護材料

基于相變原理的激光防護材料是20世紀80年代發展起來的新型防護材料，它是另一種光強型防護材料，利用其熱致相變機理可以實現強激光防護。相變材料在室溫下為一種結構，呈透明狀態。在受到激光的照射后，材料產生溫升，當溫度上升到一定程度時產生相變，轉變為另一種結構，變成不透明狀態。

目前研究最多的相變材料是VO2薄膜。VO2因激光束照射而受熱時，材料將發生半導體－金屬的相變過程，VO2將從高溫四方晶系相變到低溫的單斜晶系。在此過程中，其光電特性發生較大變化，特別是紅外特性將從高透射轉變為高反射（如圖4所示），因而可作為3 000～5 000nm和8 000～12 000nm紅外探測器的激光防護材料，阻擋紅外光和電磁輻射的攻擊，從而實現激光防護。將元素W，Cr，Ti等摻雜到VO2薄膜中，可調整其相變溫度、響應時間和損傷閾值［4］。

VO2單晶在經歷數次可逆相變后常會破碎成粉狀物，但其薄膜形態可經受反復的相變過程而不致損壞，故與VO2相變特性有關的各種應用均基于VO2薄膜進行研究。VO2響應時間10－11s，遲滯1.3×10－9s，VO2薄膜在激光防護領域有廣泛的應用前景。

據報道，美國西屋電器公司按美國防部的保密計劃，研制成功了一種氧化釩防激光膜，用于保護衛星上紅外探測系統免受高功率激光武器的破壞。當高功率激光射到衛星的鍍有氧化釩薄膜的紅外窗上時，激光的熱激勵氧化釩薄膜，使薄膜起變化立即阻止激光透過，激光消失立即恢復透明。該薄膜由VO2，V2O3組成，可正常工作25年，目前一種保密鍍膜工藝已能實現薄膜鍍層厚度1μm。但這種基于相變原理的激光防護材料僅限于紅外波段激光的防護。

VO2薄膜的優點是當激光波長與光電傳感器工作波長相同時，能兼顧接收信號與抗激光致盲兩種功能，防護帶寬較寬；缺點是當激光照到VO2膜上后，發生相變需一定時間，不能保證被保護產品一定不被損害，同時從金屬態恢復到半導體態需要一定時間，在恢復時間內，VO2薄膜對紅外輻射呈低透射，光電傳感器不能正常接收信號。考慮航天器的使用要求，目前VO2薄膜相變材料和C60非線性光學材料是實現航天器激光防護的理想材料，特別是兩種材料的復合體。C60光學材料可彌補VO2薄膜材料反應速度慢的缺點，而VO2薄膜又彌補了C60光學材料不耐熱沖擊的缺點，兩者聯合可較好地實現航天器遙感光學儀器的激光防護。

4 國內外研究現狀與發展趨勢

目前激光防護材料主要集中在應用基礎研究領域。在實用化研究領域，美國等技術先進國家在不懈努力，以提高光電傳感器件及光學系統的激光防護能力。

除對反飽和吸收型非線性激光防護技術研究外，對非線性散射、非線性折射和非線性反射激光防護進行了研究，涉及的材料也十分廣泛，在實用化方面也進行了大量的研究。同時，美國部隊已經裝備具強激光防護功能的望遠鏡。

綜合分析現有及在研的激光防護材料，可得出其特點和發展趨勢如下。

a）向大功率、全波段防護方向發展。激光技術的發展不僅使激光的波長范圍越來越大，而且激光的功率（特別是用于戰爭的激光武器）也得到了很大的提高。目前的激光防護可能因激光功率過大或激光波長不是濾光片的防護波長而失效。利用非線性光學原理和非線性光學材料制造的光學開關和限幅器，能對付任何波長的高功率激光。這些光學開關和限幅器件具有帶寬大、響應速度快、自然光透過率高等優點，代表了激光防護的發展方向。

b）向良好的可見光透過率、大入射角和高光學密度方向發展。基于線性光學原理的三種防護方法中，衍射型激光防護既能有效反射特定波長的激光，又具良好的可見光透過率及廣角性。基于非線性光學理論的光開關型濾光鏡對入射光的能量敏感，在阻止強能量激光透過的同時不影響低能量可見光的透過，防護帶寬和可見度均較理想。

c）利用兩種或多種原理技術的綜合性方案，進一步改善激光防護性能，向實用化方向發展。為適應現代化戰爭的需要，實現對激光、微波、彈片等的綜合性防護，對新的原理、材料、技術進行探索和嘗試。這將是目前及今后激光防護研究的主要內容。

5 結束語

隨著激光武器技術的飛速發展，航天器光學系統所受到的威脅越來越大，對激光防護材料的要求也就越來越高。要求激光防護材料具有防護效果好、透光率高、防護波段寬、響應時間短等特點，但很明顯目前的激光防護材料還不能完全滿足激光防護的要求。這需要加強相關研究。

［1］ 劉必鎏，時家明，嚴學澄，等.激光對衛星的威脅及其防護［J］.紅外與激光工程，2009，38（3）：470－475.

［2］ 熊玉卿，羅崇泰.星載光學遙感儀器激光防護薄膜技術［J］.紅外與激光工程，2007，36（6）：902－905.

［3］ 張巖松，溫萬田.激光防護材料的研究現狀及發展趨勢［J］.光電技術應用，2004，19（5）：40－43.

［4］ KAN J B，KAN P，ATEBA O.Thermochromic VO2thin films synthesized by RF－inverted cylindrical magnetron sputtering［J］.Applied Surface Science，2008，254（13）：3959－3963.