航天器激光防護(hù)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

馮守志，圣冬冬

（上海航天信息研究所，上海 201109）

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，各種軍用衛(wèi)星作為作戰(zhàn)指揮員的“耳目”和“神經(jīng)中樞”，在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中已具有舉足輕重的地位，而用于攻擊這些軍用衛(wèi)星的各種反衛(wèi)星武器也處在快速開(kāi)發(fā)中，其最終目的是使敵方指揮、控制、通信、情報(bào)系統(tǒng)陷于癱瘓，從而獲取戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。激光武器就是這類反衛(wèi)星武器中的重要成員。激光武器運(yùn)用極細(xì)的強(qiáng)激光光束向航天器瞄準(zhǔn)照射，通過(guò)高熱、電離、沖擊和輻射等綜合效應(yīng)，使運(yùn)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(cè)量，航天器相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的角速度不算太快，故對(duì)激光武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精度要求并不苛刻，加之航天器的光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)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(xué)激光器［1］。

針對(duì)激光武器的巨大威脅，衛(wèi)星的防護(hù)特別是對(duì)航天器上的光電傳感器的防護(hù)需求顯得越來(lái)越緊迫。傳感器作為微弱信號(hào)探測(cè)設(shè)備，對(duì)進(jìn)入其視場(chǎng)的特定波段電磁信號(hào)有很高的靈敏度，當(dāng)它吸收的能量超過(guò)破壞閾值時(shí)就會(huì)喪失部分或全部光學(xué)、電學(xué)性能，因此航天器激光防護(hù)材料研究在各國(guó)已相繼展開(kāi)。目前發(fā)展的主要激光防護(hù)材料有基于線性光學(xué)原理、基于非線性光學(xué)原理和基于相變?cè)淼募す夥雷o(hù)材料。其中：基于線性光學(xué)原理的激光防護(hù)材料屬于波長(zhǎng)防護(hù)型材料，基于非線性光學(xué)原理和相變?cè)淼募す夥雷o(hù)材料屬于光強(qiáng)防護(hù)型材料。本文對(duì)航天器激光防護(hù)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。

1 基于光學(xué)線性原理的激光防護(hù)材料

在20世紀(jì)六七十年代，基于線性光學(xué)原理的激光防護(hù)技術(shù)獲得了快速發(fā)展，主要包括吸收型、反射型和吸收／反射復(fù)合型、衍射型、爆炸型、光電型等激光防護(hù)技術(shù)等形式，后來(lái)又發(fā)展了利用全息光學(xué)原理設(shè)計(jì)的激光防護(hù)技術(shù)。

美陸軍納蒂克研究中心研制一種組合式層狀結(jié)構(gòu)防護(hù)鏡，利用了多層介質(zhì)膜對(duì)特定波長(zhǎng)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)波長(zhǎng)532，694，1 064nm三種激光，光密度（OD）為4，可見(jiàn)光透過(guò)率（VLT）達(dá)73%，主要缺點(diǎn)是玻璃箔易損。目前國(guó)內(nèi)專利報(bào)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(duì)某一波段具高反射性，而對(duì)其他波段則有高透射性及抗化學(xué)浸蝕性。專利用濺射法制備了Sub／（HL）pH2L／Air（p＝9～15）防護(hù)膜，對(duì)波長(zhǎng)1.06，1.315μm的激光高反射，可見(jiàn)光則高透過(guò)。

但總的說(shuō)來(lái)，該類波長(zhǎng)防護(hù)型材料只對(duì)波長(zhǎng)敏感，對(duì)強(qiáng)度不敏感，對(duì)波長(zhǎng)相同強(qiáng)度不同的光輻射具有同樣的透射率。該特性使其只能防護(hù)單波長(zhǎng)激光，防護(hù)帶寬較窄，不能區(qū)分同一波長(zhǎng)的強(qiáng)光和弱光，在阻止某一波長(zhǎng)強(qiáng)激光破壞的同時(shí)，也阻止了該波長(zhǎng)弱光的接收。當(dāng)入射激光輻射波長(zhǎng)與光電傳感器工作波長(zhǎng)相同時(shí)，光電傳感器就不能接收正常信號(hào)；反之，欲接收信號(hào)就不能防激光致盲，兩種功能不能兼顧，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在選用或設(shè)計(jì)該類防護(hù)技術(shù)時(shí)，需折中考慮傳感器正常工作的要求和防護(hù)技術(shù)的要求。另一方面在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中很難預(yù)知敵方激光武器的光源波長(zhǎng)，實(shí)際使用中存在一定的局限性。采用光強(qiáng)防護(hù)型型材料是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

2 基于非線性光學(xué)原理的激光防護(hù)材料

20世紀(jì)80年代發(fā)展了基于非線性光學(xué)原理的激光防護(hù)技術(shù)。這種新型激光防護(hù)技術(shù)亦被稱為光限幅（OL）技術(shù)，主要利用三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是一種有前途的光強(qiáng)型激光防護(hù)材料［2］。

非線性光限幅的物理過(guò)程如圖1所示。當(dāng)激光入射介質(zhì)時(shí)，在低入射光能Ei下，介質(zhì)的線性透射率較高，輸出光能隨入射光強(qiáng)增加而線性增大；在高光能下，因介質(zhì)的非線性光學(xué)效應(yīng)使透射率下降，當(dāng)入射光強(qiáng)達(dá)到一定閾值Eth后，輸出光能被限制在接近Ec的一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)不再增加，直到過(guò)強(qiáng)的光能ED使器件的材料發(fā)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(shí)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(xué)材料相比，光限幅器的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)波段寬、響應(yīng)速度快、可見(jiàn)光透射率高。基于非線性光學(xué)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(xué)效應(yīng)復(fù)合光限幅等。隨著自由電子激光的發(fā)展，激光武器的發(fā)展趨勢(shì)是波長(zhǎng)可調(diào)諧，防護(hù)效果與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的非線性防護(hù)技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的方向。但目前非線性激光防護(hù)技術(shù)多處于早期研究階段，距實(shí)際應(yīng)用有一定差距。

非線性光學(xué)材料對(duì)波長(zhǎng)和光強(qiáng)均敏感，故對(duì)相同波長(zhǎng)的強(qiáng)光和弱光入射時(shí)的作用并不相同，能阻止強(qiáng)能量激光透過(guò)同時(shí)不影響低能量的可見(jiàn)光透過(guò)。根據(jù)非線性光學(xué)原理，在弱光作用時(shí)，不能產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)，允許弱光透過(guò)；在有強(qiáng)光作用時(shí)，非線性光學(xué)材料產(chǎn)生非線性效應(yīng)，阻止強(qiáng)光的透過(guò)，且如材料對(duì)入射光的色散小，原理上可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬波段連續(xù)可調(diào)諧激光的防護(hù)。非線性光學(xué)材料克服了線性光學(xué)防護(hù)方法的缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧了同一波長(zhǎng)的高光學(xué)密度和高透明度兩個(gè)指標(biāo)，當(dāng)激光波長(zhǎng)與光電傳感器工作波長(zhǎng)相同時(shí)，能兼顧光電傳感器接收信號(hào)與激光致盲防護(hù)兩種功能。

具有光限幅效應(yīng)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(jī)制各異，早期研究的非線性材料以無(wú)機(jī)晶體為主，但因高質(zhì)量的單晶生長(zhǎng)困難，價(jià)格昂貴，無(wú)法滿足迅速發(fā)展的光通信、光信號(hào)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(shí)際應(yīng)用受到了極大限制。因此，為適應(yīng)科技的飛速發(fā)展，對(duì)非晶體材料尤其是有機(jī)高分子光限幅材料進(jìn)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(zhì)分子的總稱，包括C60、C70、C84、碳納米管等，是20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)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(dú)特的籠狀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，而有廣闊的應(yīng)用前景。

富勒烯C60是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的一個(gè)球形，具有三維的球面介電子共軛結(jié)構(gòu)（如圖2所示），有更強(qiáng)的光學(xué)非線性。它的光限幅效應(yīng)時(shí)間短、限制頻帶寬，在低光強(qiáng)激發(fā)下線性透過(guò)率較高，輸出光強(qiáng)隨入射光強(qiáng)增加近似線性增加，而在高光強(qiáng)激發(fā)下介質(zhì)的非線性透過(guò)率較低。當(dāng)入射光功率達(dá)到一定閾值后，隨著入射光強(qiáng)的增加，輸出光強(qiáng)被限制在一定范圍內(nèi)［3］。因此，利用C60在可見(jiàn)光、近紅外的光限幅特性，其摻入光學(xué)玻璃可實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光、近紅外和可調(diào)諧激光的防護(hù)。

圖2 C60分子結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)以來(lái)，特別是單壁碳納米管的發(fā)現(xiàn)和批量合成成功后，引起了廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳納米管在光限幅中表現(xiàn)出良好的性質(zhì)，其光限幅帶寬大、響應(yīng)時(shí)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(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科中最前沿的研究領(lǐng)域之一。

對(duì)碳納米管光限幅的機(jī)理，目前尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，還需進(jìn)一步研究。有認(rèn)為是非線性吸收（反飽和吸收，多光子吸收），也有認(rèn)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(tài)－三重態(tài)激發(fā)態(tài)吸收，而是單態(tài)－單態(tài)激發(fā)態(tài)吸收。

c）卟啉

卟啉是在卟吩環(huán)上連有取代基的一類大環(huán)化合物的總稱。卟吩是由4個(gè)吡咯環(huán)和4個(gè)次甲基橋聯(lián)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(hào)法有兩種，如圖3所示。吡咯環(huán)間的碳（5，10，15，20或α，β，γ，δ）被稱為中位（meso）。當(dāng)卟啉氮原子上2個(gè)質(zhì)子被金屬取代時(shí)，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(yīng)特性非常顯著。高的三階非線性響應(yīng)特性為其作為光限幅材料提供了基礎(chǔ)。研究表明：卟啉的光限幅效應(yīng)不僅體現(xiàn)在可見(jiàn)光區(qū)，隨結(jié)構(gòu)的調(diào)整亦可達(dá)近紅外區(qū)，可用于對(duì)寬波段可調(diào)諧激光武器的防護(hù)。此外，由于卟啉及卟啉的衍生物的光限幅效果明顯，響應(yīng)速度快，它還適于防護(hù)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(xué)性質(zhì)。因此，卟啉類材料的研究己成為非線性光學(xué)理論中的熱點(diǎn)。

d）金屬酞菁

酞菁（Pc）是由4個(gè)異吲唑單元組成的平面共軛大環(huán)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(gè)meso位上的碳原子換成氮原子，并在周邊位置并上苯環(huán)4個(gè)，就構(gòu)成了酞菁，酞菁有時(shí)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(dāng)金屬原子M取代了位于酞菁分子中心的2個(gè)氫原子后，酞菁與金屬元素結(jié)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(gè)高度共軛的π電子體系，并且可以通過(guò)分子剪裁，如改變其周邊取代基、軸向配體、共軛結(jié)構(gòu)的大小以及插入中心金屬等改變其物理化學(xué)性質(zhì)。金屬酞菁具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，較大的三階非線性系數(shù)和較快的非線性光學(xué)（NLO）響應(yīng)速度，良好的光限幅性能和激光防護(hù)效果，這點(diǎn)與C60及其有機(jī)／高分子衍生物相類似，在光限幅材料研究中備受關(guān)注，顯示出良好的應(yīng)用前景。

e）聚炔類材料

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，聚炔類激光防護(hù)材料引起了極大關(guān)注。聚炔類材料具很強(qiáng)的π電子離域能力，易極化，故響應(yīng)時(shí)間快，三階非線性光學(xué)系數(shù)大，是一種較好的非線性光學(xué)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(fā)態(tài)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?cè)淼募す夥雷o(hù)材料

基于相變?cè)淼募す夥雷o(hù)材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新型防護(hù)材料，它是另一種光強(qiáng)型防護(hù)材料，利用其熱致相變機(jī)理可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光防護(hù)。相變材料在室溫下為一種結(jié)構(gòu)，呈透明狀態(tài)。在受到激光的照射后，材料產(chǎn)生溫升，當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)產(chǎn)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，變成不透明狀態(tài)。

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(shí)，材料將發(fā)生半導(dǎo)體－金屬的相變過(guò)程，VO2將從高溫四方晶系相變到低溫的單斜晶系。在此過(guò)程中，其光電特性發(fā)生較大變化，特別是紅外特性將從高透射轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻瓷洌ㄈ鐖D4所示），因而可作為3 000～5 000nm和8 000～12 000nm紅外探測(cè)器的激光防護(hù)材料，阻擋紅外光和電磁輻射的攻擊，從而實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)。將元素W，Cr，Ti等摻雜到VO2薄膜中，可調(diào)整其相變溫度、響應(yīng)時(shí)間和損傷閾值［4］。

VO2單晶在經(jīng)歷數(shù)次可逆相變后常會(huì)破碎成粉狀物，但其薄膜形態(tài)可經(jīng)受反復(fù)的相變過(guò)程而不致?lián)p壞，故與VO2相變特性有關(guān)的各種應(yīng)用均基于VO2薄膜進(jìn)行研究。VO2響應(yīng)時(shí)間10－11s，遲滯1.3×10－9s，VO2薄膜在激光防護(hù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)西屋電器公司按美國(guó)防部的保密計(jì)劃，研制成功了一種氧化釩防激光膜，用于保護(hù)衛(wèi)星上紅外探測(cè)系統(tǒng)免受高功率激光武器的破壞。當(dāng)高功率激光射到衛(wèi)星的鍍有氧化釩薄膜的紅外窗上時(shí)，激光的熱激勵(lì)氧化釩薄膜，使薄膜起變化立即阻止激光透過(guò)，激光消失立即恢復(fù)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(shí)現(xiàn)薄膜鍍層厚度1μm。但這種基于相變?cè)淼募す夥雷o(hù)材料僅限于紅外波段激光的防護(hù)。

VO2薄膜的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)激光波長(zhǎng)與光電傳感器工作波長(zhǎng)相同時(shí)，能兼顧接收信號(hào)與抗激光致盲兩種功能，防護(hù)帶寬較寬；缺點(diǎn)是當(dāng)激光照到VO2膜上后，發(fā)生相變需一定時(shí)間，不能保證被保護(hù)產(chǎn)品一定不被損害，同時(shí)從金屬態(tài)恢復(fù)到半導(dǎo)體態(tài)需要一定時(shí)間，在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，VO2薄膜對(duì)紅外輻射呈低透射，光電傳感器不能正常接收信號(hào)?？紤]航天器的使用要求，目前VO2薄膜相變材料和C60非線性光學(xué)材料是實(shí)現(xiàn)航天器激光防護(hù)的理想材料，特別是兩種材料的復(fù)合體。C60光學(xué)材料可彌補(bǔ)VO2薄膜材料反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，而VO2薄膜又彌補(bǔ)了C60光學(xué)材料不耐熱沖擊的缺點(diǎn)，兩者聯(lián)合可較好地實(shí)現(xiàn)航天器遙感光學(xué)儀器的激光防護(hù)。

4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

目前激光防護(hù)材料主要集中在應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。在實(shí)用化研究領(lǐng)域，美國(guó)等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家在不懈努力，以提高光電傳感器件及光學(xué)系統(tǒng)的激光防護(hù)能力。

除對(duì)反飽和吸收型非線性激光防護(hù)技術(shù)研究外，對(duì)非線性散射、非線性折射和非線性反射激光防護(hù)進(jìn)行了研究，涉及的材料也十分廣泛，在實(shí)用化方面也進(jìn)行了大量的研究。同時(shí)，美國(guó)部隊(duì)已經(jīng)裝備具強(qiáng)激光防護(hù)功能的望遠(yuǎn)鏡。

綜合分析現(xiàn)有及在研的激光防護(hù)材料，可得出其特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)如下。

a）向大功率、全波段防護(hù)方向發(fā)展。激光技術(shù)的發(fā)展不僅使激光的波長(zhǎng)范圍越來(lái)越大，而且激光的功率（特別是用于戰(zhàn)爭(zhēng)的激光武器）也得到了很大的提高。目前的激光防護(hù)可能因激光功率過(guò)大或激光波長(zhǎng)不是濾光片的防護(hù)波長(zhǎng)而失效。利用非線性光學(xué)原理和非線性光學(xué)材料制造的光學(xué)開(kāi)關(guān)和限幅器，能對(duì)付任何波長(zhǎng)的高功率激光。這些光學(xué)開(kāi)關(guān)和限幅器件具有帶寬大、響應(yīng)速度快、自然光透過(guò)率高等優(yōu)點(diǎn)，代表了激光防護(hù)的發(fā)展方向。

b）向良好的可見(jiàn)光透過(guò)率、大入射角和高光學(xué)密度方向發(fā)展?；诰€性光學(xué)原理的三種防護(hù)方法中，衍射型激光防護(hù)既能有效反射特定波長(zhǎng)的激光，又具良好的可見(jiàn)光透過(guò)率及廣角性。基于非線性光學(xué)理論的光開(kāi)關(guān)型濾光鏡對(duì)入射光的能量敏感，在阻止強(qiáng)能量激光透過(guò)的同時(shí)不影響低能量可見(jiàn)光的透過(guò)，防護(hù)帶寬和可見(jiàn)度均較理想。

c）利用兩種或多種原理技術(shù)的綜合性方案，進(jìn)一步改善激光防護(hù)性能，向?qū)嵱没较虬l(fā)展。為適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光、微波、彈片等的綜合性防護(hù)，對(duì)新的原理、材料、技術(shù)進(jìn)行探索和嘗試。這將是目前及今后激光防護(hù)研究的主要內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光武器技術(shù)的飛速發(fā)展，航天器光學(xué)系統(tǒng)所受到的威脅越來(lái)越大，對(duì)激光防護(hù)材料的要求也就越來(lái)越高。要求激光防護(hù)材料具有防護(hù)效果好、透光率高、防護(hù)波段寬、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，但很明顯目前的激光防護(hù)材料還不能完全滿足激光防護(hù)的要求。這需要加強(qiáng)相關(guān)研究。

［1］ 劉必鎏，時(shí)家明，嚴(yán)學(xué)澄，等.激光對(duì)衛(wèi)星的威脅及其防護(hù)［J］.紅外與激光工程，2009，38（3）：470－475.

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

［3］ 張巖松，溫萬(wàn)田.激光防護(hù)材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.光電技術(shù)應(yīng)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.