衛(wèi)星激光防護(hù)薄膜窗口的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究

姜玉剛，劉華松*，王利栓，陳 丹，李士達(dá)，季一勤

(1.天津津航技術(shù)物理研究所，天津市薄膜光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308；2.光電材料智能表面織構(gòu)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，天津 300308 )

1 引 言

隨著高能激光武器的快速發(fā)展，激光武器迅速成為一種具有直接殺傷力的新式武器。當(dāng)前反衛(wèi)星激光武器的發(fā)展，迫切需要研究和發(fā)展衛(wèi)星的激光防護(hù)技術(shù)，尤其是對(duì)衛(wèi)星的光學(xué)遙感系統(tǒng)(特別是光電探測(cè)器)進(jìn)行抗激光致盲或損傷的加固和防護(hù)，以增強(qiáng)衛(wèi)星在空間的生存與防護(hù)能力。

目前，高功率激光武器主要有1.315 μm的氧化碘(COIL)激光器、2.7 μm的氟化氫(HF)激光器以及3.8 μm的氟化氘(DF)激光器[1-6]3種。對(duì)衛(wèi)星而言，常用的可見光/近紅外CCD相機(jī)的工作波段為0.5～0.8 μm，激光通信工作波長為1.55 μm[7-9]。因此，迫切需要研制在衛(wèi)星工作波段有高透過率和激光武器波長處有較低透過率的激光防護(hù)窗口，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星反激光武器的防護(hù)。

對(duì)于衛(wèi)星激光防護(hù)膜，國內(nèi)外已進(jìn)行過相關(guān)研究。美陸軍納蒂克研究中心[10]研制一種組合式層狀結(jié)構(gòu)防護(hù)鏡，其利用多層介質(zhì)膜可對(duì)特定波長激光的反射衰減達(dá)到激光防護(hù)效果。據(jù)報(bào)道可防護(hù)532、694和1 064 nm 3種激光，光密度為4，可見光透過率達(dá)73%，其主要缺點(diǎn)是玻璃箔易損。蘭州物理研究所[11]選取TiO2和SiO2作為高低折射率鍍膜材料，在K9玻璃設(shè)計(jì)和制備了可以對(duì)氧碘激光進(jìn)行防護(hù)的薄膜，在遙感儀器的工作波段500～900 nm內(nèi)，平均透射率達(dá)到95.2%，在以1 315 nm為中心的一定波段范圍內(nèi)，反射率超過99.3%，可有效防護(hù)星載遙感儀器，大幅度提高遙感儀器的生存能力。長春理工大學(xué)[12-15]在可見光/近紅外波段開展了大量的激光防護(hù)薄膜研究，針對(duì)軍用光電儀器對(duì)激光致盲武器的防護(hù)要求,采用Si和YbF3,ZnS和YbF3兩種高低折射率組合材料研制了激光防護(hù)減反射膜。在多光譜ZnS 基底上，采用電子束及離子輔助沉積技術(shù)，制備了能夠?qū)?32 nm和1 064 nm激光進(jìn)行有效防護(hù), 同時(shí)對(duì)3～5 μm的波段具有高透射率的薄膜。

本文針對(duì)0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機(jī)、1.55 μm的激光通信波段以及1.315、2.7、3.8 μm的激光武器工作波段，設(shè)計(jì)和制備了線性激光防護(hù)薄膜，實(shí)現(xiàn)工作波段的高透過和激光武器波段的低透過，對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)防護(hù)激光武器具有重要的作用。

2 薄膜光學(xué)常數(shù)計(jì)算

圖1 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的可見光-近紅外透過率曲線 Fig.1 Transmittance curves of Ta2O5 and SiO2 films in the range from visible to near infrared wave band

本文采用Lambda900分光光度計(jì)對(duì)熔融石英基底上Ta2O5和SiO2薄膜的可見光-近紅外透射光譜進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。采用BRUKER公司的VERTEX70型紅外傅立葉變換光譜儀對(duì)Si基底上Ta2O5和SiO2薄膜的近紅外-中紅外透射光譜進(jìn)行了測(cè)量，如圖2所示。

圖2 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的近紅外-中紅外透射率曲線 Fig.2 Transmittance curves of Ta2O5 film and SiO2 film in the range from near infrared to middle infrared wave band

圖3 單層膜結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of single-layer film structure

圖4 離子束濺射Ta2O5和SiO2薄膜的折射率曲線 Fig.4 Refractive index curves of Ta2O5 and SiO2 films prepared by IBS

本文采用WVASE32軟件對(duì)測(cè)量的透射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，在計(jì)算單層膜特性擬合過程中，選擇的折射率模型包括基底、有效介質(zhì)近似層(包括50%的基底和50%的單層膜)、柯西模型層和表面粗糙度層(包括50%的空氣和50%單層膜)，如圖3所示。獲得的Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的物理厚度分別為591.1和870.9 nm，折射率曲線如圖4所示。

3 線性激光防護(hù)窗口的設(shè)計(jì)

以可見光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透過和1.315、2.7和3.8 μm強(qiáng)激光的防護(hù)為背景進(jìn)行設(shè)計(jì)，其線性激光薄膜防護(hù)窗口結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，選擇10 mm厚的k9玻璃為窗口基底，Ta2O5和SiO2分別為高低折射率薄膜材料。

圖5 線性激光防護(hù)窗口示意圖 Fig.5 Schematic diagram of linear laser protection window

在k9基底一面設(shè)計(jì)工作角度為0°的三波段分光薄膜，實(shí)現(xiàn)1.315 μm波長的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，基本膜系結(jié)構(gòu)為Sub/(0.5L H 0.5L)^14/Air，參考波長為1.315 μm，優(yōu)化前6層和后7層后，最終膜系結(jié)構(gòu)為：Sub/0.98L 0.93H 0.95L 0.99H 1.01L 0.99H(L H)^8 1.01L 0.92H 0.88L 0.87H 0.98L 1.05H 0.51L /Air，理論設(shè)計(jì)透過率曲線如圖6所示。

圖6 雙波段減反射薄膜和三波段分光薄膜的理論設(shè)計(jì)透過率曲線 Fig.6 Theoretical design transmittance curve of two-band antireflective film and three band spectroscopic thin film

在k9基底另一面設(shè)計(jì)工作角度為0°的雙波段減反射薄膜，實(shí)現(xiàn)0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透，基本膜系結(jié)構(gòu)為Sub/(LH)^5 L/Air，參考波長為0.65 μm，對(duì)所有膜層全優(yōu)化后獲得最終膜系結(jié)構(gòu)為：Sub/0.97L 0.15H 0.50L 1.86H 1.67L 1.67H 1.02L 0.17H 0.48L 0.97H 0.94L /Air，理論設(shè)計(jì)透過率曲線也如圖6所示。

通過三波段分光膜和雙波段減反射薄膜共同作用即可獲得多譜段線性激光防護(hù)薄膜窗口，其理論設(shè)計(jì)透過率曲線如圖7所示。可以得到：對(duì)于0.5～0.8 μm和1.55 μm波段，能分別實(shí)現(xiàn)大于95%和98%的透過；對(duì)于1.315、2.7、3.8 μm波段能分別實(shí)現(xiàn)小于0.1%、20%和0.5%的透過。綜合分析，設(shè)計(jì)的線性激光防護(hù)薄膜窗口能實(shí)現(xiàn)可見光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透過和1.315、2.7和3.8 μm強(qiáng)激光的低透過，既滿足了衛(wèi)星工作波段的高透過，又能防護(hù)強(qiáng)激光武器的攻擊。

圖7 線性激光防護(hù)窗口的理論設(shè)計(jì)透過率曲線 Fig.7 Theoretical design transmittance curve of linear laser protection window

4 線性激光防護(hù)窗口的制備和分析

采用雙離子束濺射沉積技術(shù)，根據(jù)第2節(jié)結(jié)果，選擇Ta2O5和SiO2分別作為高低折射率薄膜材料，在K9基底上制備了線性激光防護(hù)窗口薄膜。采用Lambda900分光光度計(jì)對(duì)雙面鍍膜的線性激光防護(hù)窗口薄膜的可見光-近紅外透射曲線進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，采用BRUKER公司的VERTEX70型紅外傅立葉變換光譜儀對(duì)其近紅外-中紅外波段的透射光譜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 線性激光防護(hù)窗口薄膜的可見光-近紅外透射曲線 Fig.8 Measured visible-near infrared transmission curve of linear laser protective window

圖9 線性激光防護(hù)窗口薄膜的近紅外-中紅外透射曲線 Fig.9 Measured near infrared-middle infrared transmission curve of linear laser protective window

由圖8和圖9的測(cè)試曲線與圖7的理論設(shè)計(jì)曲線對(duì)比可知，線性激光防護(hù)窗口的測(cè)試曲線與理論設(shè)計(jì)曲線基本吻合，在0.5～0.8 μm的平均透過率大于96%，1.55 μm的透過率大于98%，1.315 μm的透過率小于0.1%，在2.7 μm的透過率為30%，在3.8 μm的透過率為1.1%。

線性激光防護(hù)窗口的測(cè)試結(jié)果表明，采用離子束濺射沉積技術(shù)，在k9玻璃一面鍍制三波段分光膜，另一面鍍制雙波段減反射膜，可以實(shí)現(xiàn)0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機(jī)和1.55 μm的激光通信波段的高透過率，1.315、2.7和3.8 μm波段的低透過率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不影響可見光/近紅外CCD相機(jī)和激光通信的正常工作條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作波長為1.315、2.7和3.8 μm的高功率激光的防護(hù)，防護(hù)效率分別達(dá)到30、5和20 dB，對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)防護(hù)激光武器具有重要的意義。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機(jī)、1.55 μm的激光通信波段，在K9玻璃基底上一面設(shè)計(jì)和制備了三波段分光膜，實(shí)現(xiàn)1.315 μm波長的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，然后在k9玻璃基板另一面設(shè)計(jì)和制備了雙波段減反射膜，實(shí)現(xiàn)0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透。研制的防護(hù)窗口在0.5～0.8 μm的平均透過率大于96%，1.55 μm的透過率大于98%，1.315 μm的透過率小于0.1%，在2.7 μm的透過率為30%，在3.8 μm的透過率為1.1%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高功率激光的防護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了可見光-近紅外-中紅外波段激光防護(hù)窗口的制備，對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)防護(hù)激光武器具有重要的作用。