空間環(huán)境和污染對光學(xué)器件的影響
用于觀(guān)測衛星、氣象衛星、空間望遠鏡上的各種光學(xué)器件及其光學(xué)涂層必須經(jīng)受住空間環(huán)境和污染的考驗才能保證航天器的可靠性。采取有效措施減少空間環(huán)境的影響是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。對于低溫光學(xué)儀器是個(gè)相對獨立的系統，在冷卻期間必須保證儀器中最冷的傳感器芯片保持最高溫度，這樣在冷卻之前污染物就不會(huì )被吸附在表面上。最好的方法是在光學(xué)器件的適當位置安裝加熱器及污染控制罩。
引言
航天器及其重要部件的表面在空間環(huán)境和污染的條件下，會(huì )影響航天器及相關(guān)部件的可靠性和質(zhì)量，因此空間環(huán)境和污染問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量研究工作，以便研討有效空間環(huán)境和控制污染的措施。保障航天器能正常運行和順利完成飛行任務(wù)。
光學(xué)器件中的光學(xué)儀器、太陽(yáng)能電池、輻射器和光學(xué)太陽(yáng)能反射器等部件都是航天器上的重要部件。任何部件性能的降低或損壞都會(huì )影響航天器可靠性。光學(xué)器件及其光學(xué)涂層必須要經(jīng)受住空間環(huán)境和污染的考驗才能保證航天器的可靠性。研究空間環(huán)境和污染對光學(xué)器件及其光學(xué)涂層的影響和污染控制技術(shù)是非常必要的。
1、空間環(huán)境對光學(xué)器件及其涂層的影響
光學(xué)器件及其光學(xué)涂層要經(jīng)受空間環(huán)境的考驗。當涂層不夠致密而是多孔涂層時(shí)，空間真空會(huì )引起光譜漂移和由于水的釋放帶來(lái)壓力的變化。低軌道原子氧會(huì )引起腐蝕。在陽(yáng)光照射或其他高能輻射的作用下，會(huì )使敏感表面產(chǎn)生光化學(xué)反應。暴露到太陽(yáng)輻射的涂層承受出氣污染的紫外線(xiàn)固定。增加了污染沉積的可能，改變了沉積層的特性，使污染層變暗，顏色加深，對敏感表面帶來(lái)嚴重影響。在激光誘導污染下，造成高吸附和潛在的激光損害。在深空要承受-270 ℃的低溫。在內行星溫度要超過(guò)300 ℃。這樣惡劣溫度條件對光學(xué)器件及其光學(xué)涂層是嚴重的挑戰。
空間主要環(huán)境成分為真空、低溫、太陽(yáng)輻照、空間輻射和原子氧。對光學(xué)器件及其光學(xué)涂層的性能產(chǎn)生重要影響。
1.1、空間真空的影響
空間真空壓力低軌道典型環(huán)境壓力為10-6 MPa，在高軌道和行星際軌道壓力會(huì )更低。對于光學(xué)器件高致密涂層，真空的影響很小，但對于多孔涂層會(huì )造成光譜響應向較低波長(cháng)移動(dòng)。經(jīng)典的電子束蒸發(fā)涂層有大的孔隙度，特別是在界面處，由于從地面到空間因而空氣到真空的變換是顯而易見(jiàn)的�？諝獾秸婵盏淖儞Q對儀器性能的影響是顯著(zhù)的。大氣激光多普勒設備(ALADIN)的激光器主振蕩器內的電介質(zhì)偏振器空氣到真空的變換引起Q 開(kāi)關(guān)機構完全失效，由于激光腔體無(wú)源損失的增加引起的。很顯然在空間的涂層必須完全致密化才會(huì )避免這種影響。
由于涂層水份損失的影響，產(chǎn)生了應力變化，其應力從壓縮變?yōu)槔�。對具有校準性能并敏感的焦平面儀器會(huì )引起不可接受的散焦。激光器涂層會(huì )影響激光損傷閾值(LIDT)，在對大氣激光多普勒設備的激光器進(jìn)行廣泛試驗比較后可觀(guān)察到，在真空狀態(tài)下激光損傷閾值比相同樣品在空氣中試驗值減少，因為涂層有一個(gè)顯著(zhù)的孔隙。在致密涂層，從空氣到真空時(shí)激光損傷閾值沒(méi)有減少。
1.2、真空環(huán)境中的熱循環(huán)
在空間的光學(xué)器件及其涂層常承受大幅度的熱循環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)器件在空間的熱環(huán)境是用加熱器和輻射制冷器來(lái)控制的。在低地球軌道工作的光學(xué)器件仍要承受-40～+50℃范圍的熱循環(huán)。太陽(yáng)帆板的蓋玻片直接暴露到太陽(yáng)下，意味著(zhù)其暴露到-40～+120℃熱循環(huán)狀態(tài)。由于真空熱循環(huán)涂層的失效是經(jīng)常的，當材料由涂層和襯底兩層組成時(shí)，材料熱膨脹系數不同就會(huì )造成應力。
1.3、太陽(yáng)輻照
太陽(yáng)粒子輻射和無(wú)粒子輻射的太陽(yáng)輻照作用不同。來(lái)自太陽(yáng)光譜較高能量的紫外線(xiàn)波長(cháng)能引起涂層變黑，由于彩色中心的形成或有機污染物聚合。在這種情況下，涂層吸附的增加在紫外光譜末端是最大的。
由于太陽(yáng)輻照，太陽(yáng)能電池蓋玻片和用于輻射制冷器的光學(xué)太陽(yáng)反射器的性能降低是很?chē)乐氐�。太�?yáng)能電池蓋玻片性能降低，使太陽(yáng)能電池的轉換效率明顯減小，造成太陽(yáng)帆板產(chǎn)生的功率受到損失。太陽(yáng)反射器的性能降低，這會(huì )使輻射制冷器效率受到損失，造成被冷卻設備過(guò)熱。在地面試驗中，在真空中帶有紫外輻照時(shí)，太陽(yáng)能電池蓋玻片性能明顯降低。
對于光學(xué)太陽(yáng)反射器，性能降低導致涂層太陽(yáng)吸收率增加，使輻射制冷器效率降低，導致衛星溫度總體增加。
1.4、粒子輻射
在空間的光學(xué)器件，主要關(guān)注質(zhì)子和電子，定性的被定義為低能量(<1 MeV)和高能量(>1 MeV)。對于涂層最關(guān)注低能量粒子輻射，薄的涂層可以吸收低能量粒子輻射，而較高的能量輻射僅部分被吸收。能量<240 keV的質(zhì)子能引起特別嚴重的性能降低，由于多數損傷發(fā)生在質(zhì)子在材料中停止的地方。粒子輻射引起的衰變效應一般類(lèi)似于紫外線(xiàn)造成的衰變，在較低波長(cháng)光學(xué)性能有更大的衰變，隨著(zhù)移向較高波長(cháng)，較低波長(cháng)逐漸減少。
對粒子輻射誘導的衰變的敏感性可以用適當的摻雜劑減輕。如太陽(yáng)能電池蓋玻片使用鈰摻雜或防輻射玻璃進(jìn)行防護。無(wú)保護玻璃會(huì )顯示出快速變暗，在空間應避免應用。
空間輻射環(huán)境對光學(xué)器件的影響主要表現兩方面：總劑量效應(TID)和置換損傷效應(DDD)。這兩種效應都屬于累積效應。反光鏡、光濾波器等光學(xué)器件主要影響因素是TID效應。光學(xué)材料中結構缺陷捕獲帶電粒子，形成新的電子構型中心從而吸收入射光，形成吸收帶即色心，引起材料光學(xué)性質(zhì)的改變。光學(xué)材料外在表現為變暗變黑，透射率下降，造成光學(xué)成像系統的成像信號衰減。材料光學(xué)性能的變化會(huì )影響光學(xué)系統的整體性能。
1.5、紫外線(xiàn)輻射
紫外線(xiàn)輻射使污染的光學(xué)器件受到更大影響。污染表面暴露到紫外線(xiàn)輻射時(shí)，光學(xué)表面污染氣體沉積比無(wú)紫外線(xiàn)輻射明顯增加。由于光學(xué)器件表面污染物被紫外線(xiàn)激活的聚合反應和在空間的協(xié)同效應。
類(lèi)似的例子是激光誘導污染(LIC)，暴露在非氧化性環(huán)境中高強度輻照的激光器光學(xué)器件區域會(huì )形成大量吸附沉積物。大氣激光多普勒設備激光器真空試驗中，由于在紫外線(xiàn)光學(xué)器件上激光誘導污染，在6 h內會(huì )使激光器能量降低2倍。
1.6、原子氧
在地球高軌道時(shí)原子氧(ATOX)是大氣中的主要成分。主要影響是反應濺射和腐蝕表面，特別是遇到含有與氧元素有反應的表面影響更明顯。原子氧對航天器的主要影響是腐蝕。由于航天器表面會(huì )產(chǎn)生腐蝕放出氣體，這些氣體也是空間分子污染的另一個(gè)來(lái)源。污染層對光學(xué)器件表面會(huì )帶來(lái)影響，并且可能與其他環(huán)境效應產(chǎn)生反應，使污染變得更加復雜。金屬銀特別容易受到原子氧影響而性能下降，有時(shí)銀用作衛星望遠鏡反射器的涂層，銀涂層可能會(huì )影響望遠鏡的性能。在使用保護層時(shí)必須當心針孔和其他缺陷的存在。
3、結束語(yǔ)
空間環(huán)境對光學(xué)器件及其涂層的影響是很明顯的。多孔涂層在真空會(huì )造成光譜響應的變化，由于水損失使涂層總應力產(chǎn)生變化。真空熱循環(huán)環(huán)境下，由于水釋放引起涂層應力產(chǎn)生變化，又會(huì )因為涂層與襯底兩層熱膨漲系數不同產(chǎn)生熱應力。太陽(yáng)輻照導致涂層吸收率增加，輻射率下降，使輻射制冷器效率降低，導致衛星溫度增加。粒子輻射使敏感光學(xué)表面變暗，光學(xué)材料和器件性能衰變，使光學(xué)系統整體性能下降。紫外線(xiàn)會(huì )使光學(xué)表面污染氣體沉積明顯增加。原子氧會(huì )使航天器表面產(chǎn)生腐蝕。污染來(lái)自分子污染和粒子污染。污染會(huì )使各種傳感器信號強度下降;使太陽(yáng)電池功率輸出下降;使輻射器和太陽(yáng)能反射器溫度升高;使反射鏡反射信號強度降低;降低了焦平面陣列信噪比;粒子污染會(huì )影響透鏡和焦平面陣列信號的傳輸，降低信號強度;污染對低溫光學(xué)器件影響嚴重，污染氣體凝結的可能性明顯增加。有效控制污染的方法是航天器在設計時(shí)就考慮到控制污染的問(wèn)題，并在生產(chǎn)到發(fā)射全過(guò)程都要保證污染控制在要求的水平。對于低溫光學(xué)儀器要根據外部污染情況分析結果，分為制造和試驗、在軌冷卻和在軌工作三個(gè)階段進(jìn)行控制污染。由于污染對光學(xué)器件性能的嚴重影響，必須高度重視污染問(wèn)題。
