空間帶電粒子輻照對1 064 nm激光薄膜的性能影響

羅 坤，陳 光，李斌成( . 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 60209；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 00049 )

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空間帶電粒子輻照對1 064 nm激光薄膜的性能影響

羅 坤1，2，陳 光1，李斌成1
( 1. 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

摘要：在空間環(huán)境中運(yùn)行的激光系統(tǒng)必須遭受帶電粒子的輻照，光學(xué)薄膜往往是激光系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，其性能和穩(wěn)定性易受帶電粒子輻照的影響。我們采用離子束濺射法制備了1 064 nm單波段雙面增透膜樣品，測得1 064 nm處透射率為99.964 5 %，吸收為50 ppm，用低能質(zhì)子和電子(40 KeV)模擬空間帶電粒子輻照樣品，輻照通量為1.8×1013個/cm2，輻照引起樣品1 064 nm處透射率下降362 ppm，吸收增加5 ppm；退火處理后，樣品的光學(xué)性能恢復(fù)。結(jié)合SRIM程序模擬計算和分析，提出膜層內(nèi)空位損傷是引起薄膜1 064 nm處光學(xué)性能退化的原因。

關(guān)鍵詞：空間環(huán)境；帶電粒子；光學(xué)薄膜；空位損傷

0 引 言

在激光系統(tǒng)特別是高功率激光系統(tǒng)中，即使光學(xué)元件性能微弱的變化也可能造成毀滅性的破壞。為增強(qiáng)光學(xué)元件的性能，元件表面往往會被鍍上各種光學(xué)薄膜。作為激光系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，光學(xué)薄膜自然成為了限制激光器性能和壽命重要的因素。近年來，激光系統(tǒng)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如火星軌道激光高度計(MOLA)、地球科學(xué)激光測高儀系統(tǒng)(GLAS)、大氣激光多普勒儀(ALADIN)等。其中，MOLA設(shè)計服役至2006年11月而在2001年6月就停止傳送高度數(shù)據(jù)，GLAS激光系統(tǒng)的性能逐月急劇退化[1-3]，這是因?yàn)榭臻g環(huán)境是一個極其嚴(yán)酷的環(huán)境，激光系統(tǒng)在空間環(huán)境中運(yùn)行，其性能和壽命都將面臨新的威脅。美國國家航空航天局(NASA)經(jīng)過多年的研究，認(rèn)為空間環(huán)境中的威脅主要包括高真空、原子氧、紫外輻照、帶電粒子輻照、劇烈的熱循環(huán)、微流星體撞擊等[4]。構(gòu)成空間環(huán)境的每一因素對激光系統(tǒng)可靠性和壽命的影響都至關(guān)重要，空中飛行實(shí)驗(yàn)和地面加速模擬實(shí)驗(yàn)是研究空間環(huán)境對光學(xué)薄膜性能影響的兩種途徑，由于空中飛行實(shí)驗(yàn)周期長、花費(fèi)巨大以及對測試樣品數(shù)量和次數(shù)的限制，各國普遍采用地面加速模擬實(shí)驗(yàn)[5]。

綜合模擬空間環(huán)境中所有因素的影響非常困難，作為空間環(huán)境中的重要因素之一，帶電粒子輻照探測和模擬得到了廣泛的關(guān)注。根據(jù)戈達(dá)德航天中心(GSFC)的研究顯示，空間帶電粒子以電子和質(zhì)子為主，電子和質(zhì)子的能量主要集中在2 MeV以下，能量越高通量越低，在距離地面1 400 km的軌道上，如果沒有衰減的話，預(yù)計一年內(nèi)的輻照通量最大為1014個/cm2。有研究發(fā)現(xiàn)低能質(zhì)子(60 KeV)輻照引起薄膜性能退化反而比高能質(zhì)子(30 MeV)更嚴(yán)重[6-8]。因此，我們可以用低能質(zhì)子和電子模擬空間帶電粒子對薄膜進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。

盡管關(guān)于帶電粒子輻照對大塊材料、玻璃基底以及光學(xué)薄膜影響的研究較多[9-12]，但關(guān)于帶電粒子輻照對1 064 nm激光薄膜光學(xué)性能影響的研究仍然缺乏。本文制備了0°入射角1 064 nm單波段雙面增透膜樣品，進(jìn)行空間帶電粒子模擬輻照實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合SRIM(Stopping and Range in Ion Matter) 程序模擬質(zhì)子注入的計算結(jié)果，分析了樣品光學(xué)性能的變化。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用離子束濺射法制備了0°入射角1 064 nm單波段雙面增透膜樣品，鍍膜機(jī)型號為IBSD-1000型，離子源為美國Veeco公司生產(chǎn)的射頻濺射源，系統(tǒng)使用低溫泵抽真空，薄膜沉積時的工作壓強(qiáng)為3.6×10-2Pa。樣品參數(shù)如表1所示，其中H和L對應(yīng)1/4參考波長，分別代表膜層材料HfO2和SiO2。

表1 樣品參數(shù)Table 1 Characteristics of the sample

帶電粒子輻照模擬實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院北京空間科學(xué)中心進(jìn)行，輻照裝置真空度優(yōu)于3×10-4Pa，輻照參數(shù)是結(jié)合輻照裝置并根據(jù)航天器所在軌道高度一年內(nèi)的實(shí)際輻照通量而設(shè)計，先進(jìn)行質(zhì)子輻照，輻照時長30 min，粒子能量為40 KeV，輻照通量為1.8×1013個/cm2，隨后進(jìn)行電子輻照，電子輻照參數(shù)與質(zhì)子輻照參數(shù)相同。由于輻照過程中引入了污染，輻照后用無水酒精和乙醚的混合溶劑對樣品進(jìn)行擦拭，隨后還進(jìn)行了退火處理，設(shè)定溫度200℃烘烤2 h。輻照前以及輻照后的每一次處理后，分別用Leica DM6000顯微鏡觀察樣品表面形貌；用Perkin-Elmer公司Lambda900型分光光度計測量樣品的透射率光譜；用激光量熱計測量樣品1 064 nm處的吸收；為了得到輻照前后樣品在1 064 nm處透射率的細(xì)微變化，且考慮到Lambda900的測量精度的限制，另外采用光腔衰蕩法對樣品1 064 nm處的透射率進(jìn)行測量[13]，光腔衰蕩法可精確測量高性能元件的透射率(透射率＞99.9%)，測量精度可達(dá)百萬分之一，測量相對誤差也在幾個ppm以內(nèi)。

2 結(jié)果及分析

圖1分別給出了樣品輻照前、輻照后、擦拭后及退火后測量的樣品透射率曲線。由圖可知輻照后樣品的透射率曲線相比輻照前明顯下降，在1 064 nm處的透射率只有96.7%。擦拭后的樣品在測量范圍內(nèi)透射率整體上升，和輻照前樣品的透射率曲線幾乎重合，退火后樣品的透射率曲線幾乎沒有什么變化。輻照前另外測得樣品1 064 nm處的透射率為99.964 5±0.000 7%，吸收為50 ppm；擦拭后測得1 064 nm處的透射率99.928 3±0.000 7%，吸收為55 ppm；退火后再次測得樣品1 064 nm處的透射率為99.978 5±0.000 7%，吸收為47 ppm，比輻照前樣品的透射率還要高140 ppm，吸收也下降了3 ppm。

輻照后很明顯可以看到表面有較薄的一層污染物，顯微鏡下可以看到許多黃色小液滴，直徑為幾微米到幾十微米不等，可能由于輻照實(shí)驗(yàn)裝置長期使用，裝置的真空室內(nèi)存在各種污染源；真空系統(tǒng)的前級泵為油泵，抽真空時會有少量油分子進(jìn)入真空室形成污染；另外樣品本身在真空環(huán)境下會釋放在大氣環(huán)境中吸附的物質(zhì)形成污染。擦拭后再次用顯微鏡觀察，樣品表面的黃色液滴消失，樣品的透射率曲線和輻照前幾乎重合，且1 064 nm處的吸收與輻照前相當(dāng)。因此，可以認(rèn)為使用無水酒精和乙醚的混合溶劑擦拭能基本去除樣品表面污染的影響；擦拭后樣品1 064 nm處透射率仍下降362 ppm的主要原因是帶電粒子輻照對樣品產(chǎn)生了損傷。

圖1 輻照前后樣品的透射率曲線Fig.1 Transmittance curves of the sample before and after irradiation

SRIM程序基于蒙特卡羅方法(Monte Carlo)，可以模擬質(zhì)子入射，還可以詳細(xì)計算注入質(zhì)子在變化過程中對樣品造成的損傷等信息[14]，圖2為SRIM模擬質(zhì)子(40 KeV)入射在樣品中的射程及空位分布，表2為入射質(zhì)子的能量損失分布。其中注入質(zhì)子設(shè)置為104個，以便程序獲得可靠的計算結(jié)果，從圖中可以看出質(zhì)子以及產(chǎn)生的空位全部集中在表面膜層，對基底材料幾乎沒有作用；膜層中空位濃度非常小。據(jù)以往的研究可知[15]，帶電粒子輻照對薄膜的作用分為電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，電離效應(yīng)能使某些薄膜內(nèi)部產(chǎn)生色心缺陷，在紫外和可見波段形成較強(qiáng)的吸收，對紅外波段影響較小。盡管電離能損高達(dá)98.08%，但在樣品的測量范圍內(nèi)，我們并未發(fā)現(xiàn)存在某些較強(qiáng)的吸收波段使透射率明顯下降，可以認(rèn)為樣品對電離效應(yīng)并不敏感。因此，假設(shè)位移效應(yīng)引起的空位損傷是導(dǎo)致樣品1 064 nm處光學(xué)性能退化的主要原因。

圖2 SRIM模擬質(zhì)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 能量損失Table 2 Energy loss %

質(zhì)子和樣品膜層原子的質(zhì)量相差很大，與膜層原子碰撞時，膜層原子獲得的能量相當(dāng)小，不足以產(chǎn)生空位而迅速回到平衡位置，只有極少數(shù)的空位產(chǎn)生，如表2所示空位能損僅占0.06%，不過由于軟件默認(rèn)膜層的密度為大塊材料密度，另外原子的移位能在損傷累積時會減小，只要有局部的損傷，晶格之間耦合得更松散，原子更容易離位，而更多的損傷也容易形成，這些因素在模擬程序中均未被考慮，因而損傷可能被低估了?？瘴粨p傷破壞了膜層內(nèi)原子結(jié)構(gòu)，使得膜層光學(xué)常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輻照后樣品透射率輕微下降。高溫烘烤時，膜層內(nèi)原子振動加劇，那些因帶電粒子輻照脫離平衡位置的原子獲得能量重新回到平衡位置，還可能使得鍍膜過程中產(chǎn)生的缺陷減少[16]，因此退火后樣品的光學(xué)性能不僅恢復(fù)，而且透射率比輻照前增加140 ppm，吸收比輻照前下降3 ppm。

3 結(jié) 論

研究了低能質(zhì)子和電子(40 KeV)輻照對1 064 nm激光增透膜樣品光學(xué)性能的影響；輻照引起的空位損傷是導(dǎo)致樣品1 064 nm處光學(xué)性能退化的主要原因；輻照過程中引入的污染可用無水酒精和乙醚的混合溶劑擦除；退火后樣品的光學(xué)性能恢復(fù)且比輻照前略有提升。當(dāng)然，由于文中所有測量并非實(shí)時測量，不能排除樣品輻照后暴露在大氣中的影響，且薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比大塊材料復(fù)雜得多，只有弄清楚帶電粒子與薄膜相互作用的詳細(xì)過程，才能了解帶電粒子對薄膜樣品的具體損傷，這些都有待進(jìn)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

作者簡介：羅坤(1990-)，男(漢族)，湖南汨羅人。碩士研究生，主要從事空間環(huán)境對光學(xué)薄膜性能影響研究。E-mail: jonas9051@126.com。

收稿日期：2015-01-19； 收到修改稿日期：2015-04-17

文章編號：1003-501X(2016)02-0046-04

中圖分類號：O484

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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