用于觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)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(yàn)才能保證航天器的可靠性。采取有效措施減少空間環(huán)境的影響是解決問題的關(guān)鍵。對于低溫光學(xué)儀器是個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)，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被吸附在表面上。最好的方法是在光學(xué)器件的適當(dāng)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(yùn)行和順利完成飛行任務(wù)。

　　光學(xué)器件中的光學(xué)儀器、太陽能電池、輻射器和光學(xué)太陽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(yàn)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(yàn)。當(dāng)涂層不夠致密而是多孔涂層時(shí)，空間真空會引起光譜漂移和由于水的釋放帶來壓力的變化。低軌道原子氧會引起腐蝕。在陽光照射或其他高能輻射的作用下，會使敏感表面產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。暴露到太陽輻射的涂層承受出氣污染的紫外線固定。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，對敏感表面帶來嚴(yán)重影響。在激光誘導(dǎo)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(nèi)行星溫度要超過300 ℃。這樣惡劣溫度條件對光學(xué)器件及其光學(xué)涂層是嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

　　空間主要環(huán)境成分為真空、低溫、太陽輻照、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，但對于多孔涂層會造成光譜響應(yīng)向較低波長移動。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的�？諝獾秸婵盏淖儞Q對儀器性能的影響是顯著的。大氣激光多普勒設(shè)備(ALADIN)的激光器主振蕩器內(nèi)的電介質(zhì)偏振器空氣到真空的變換引起Q 開關(guān)機(jī)構(gòu)完全失效，由于激光腔體無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避免這種影響。

　　由于涂層水份損失的影響，產(chǎn)生了應(yīng)力變化，其應(yīng)力從壓縮變?yōu)槔�伸。對具有校�?zhǔn)性能并敏感的焦平面儀器會引起不可接受的散焦。激光器涂層會影響激光損傷閾值(LIDT)，在對大氣激光多普勒設(shè)備的激光器進(jìn)行廣泛試驗(yàn)比較后可觀察到，在真空狀態(tài)下激光損傷閾值比相同樣品在空氣中試驗(yàn)值減少，因?yàn)橥繉佑幸粋�(gè)顯著的孔隙。在致密涂層，從空氣到真空時(shí)激光損傷閾值沒有減少。

　　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)。一般來說，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)。太陽帆板的蓋玻片直接暴露到太陽下，意味著其暴露到-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(dāng)材料由涂層和襯底兩層組成時(shí)，材料熱膨脹系數(shù)不同就會造成應(yīng)力。

　　1.3、太陽輻照

　　太陽粒子輻射和無粒子輻射的太陽輻照作用不同。來自太陽光譜較高能量的紫外線波長能引起涂層變黑，由于彩色中心的形成或有機(jī)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。

　　由于太陽輻照，太陽能電池蓋玻片和用于輻射制冷器的光學(xué)太陽反射器的性能降低是很嚴(yán)重的。太陽能電池蓋玻片性能降低，使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率明顯減小，造成太陽帆板產(chǎn)生的功率受到損失。太陽反射器的性能降低，這會使輻射制冷器效率受到損失，造成被冷卻設(shè)備過熱。在地面試驗(yàn)中，在真空中帶有紫外輻照時(shí)，太陽能電池蓋玻片性能明顯降低。

　　對于光學(xué)太陽反射器，性能降低導(dǎo)致涂層太陽吸收率增加，使輻射制冷器效率降低，導(dǎo)致衛(wèi)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(yán)重的性能降低，由于多數(shù)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(yīng)一般類似于紫外線造成的衰變，在較低波長光學(xué)性能有更大的衰變，隨著移向較高波長，較低波長逐漸減少。

　　對粒子輻射誘導(dǎo)的衰變的敏感性可以用適當(dāng)?shù)膿诫s劑減輕。如太陽能電池蓋玻片使用鈰摻雜或防輻射玻璃進(jìn)行防護(hù)。無保護(hù)玻璃會顯示出快速變暗，在空間應(yīng)避免應(yīng)用。

　　空間輻射環(huán)境對光學(xué)器件的影響主要表現(xiàn)兩方面：總劑量效應(yīng)(TID)和置換損傷效應(yīng)(DDD)。這兩種效應(yīng)都屬于累積效應(yīng)。反光鏡、光濾波器等光學(xué)器件主要影響因素是TID效應(yīng)。光學(xué)材料中結(jié)構(gòu)缺陷捕獲帶電粒子，形成新的電子構(gòu)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(xiàn)為變暗變黑，透射率下降，造成光學(xué)成像系統(tǒng)的成像信號衰減。材料光學(xué)性能的變化會影響光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。

　　1.5、紫外線輻射

　　紫外線輻射使污染的光學(xué)器件受到更大影響。污染表面暴露到紫外線輻射時(shí)，光學(xué)表面污染氣體沉積比無紫外線輻射明顯增加。由于光學(xué)器件表面污染物被紫外線激活的聚合反應(yīng)和在空間的協(xié)同效應(yīng)。

　　類似的例子是激光誘導(dǎo)污染(LIC)，暴露在非氧化性環(huán)境中高強(qiáng)度輻照的激光器光學(xué)器件區(qū)域會形成大量吸附沉積物。大氣激光多普勒設(shè)備激光器真空試驗(yàn)中，由于在紫外線光學(xué)器件上激光誘導(dǎo)污染，在6 h內(nèi)會使激光器能量降低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(yīng)濺射和腐蝕表面，特別是遇到含有與氧元素有反應(yīng)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)來源。污染層對光學(xué)器件表面會帶來影響，并且可能與其他環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)，使污染變得更加復(fù)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(wèi)星望遠(yuǎn)鏡反射器的涂層，銀涂層可能會影響望遠(yuǎn)鏡的性能。在使用保護(hù)層時(shí)必須當(dāng)心針孔和其他缺陷的存在。

　　3、結(jié)束語

　　空間環(huán)境對光學(xué)器件及其涂層的影響是很明顯的。多孔涂層在真空會造成光譜響應(yīng)的變化，由于水損失使涂層總應(yīng)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(yīng)力產(chǎn)生變化，又會因?yàn)橥繉优c襯底兩層熱膨漲系數(shù)不同產(chǎn)生熱應(yīng)力。太陽輻照導(dǎo)致涂層吸收率增加，輻射率下降，使輻射制冷器效率降低，導(dǎo)致衛(wèi)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(tǒng)整體性能下降。紫外線會使光學(xué)表面污染氣體沉積明顯增加。原子氧會使航天器表面產(chǎn)生腐蝕。污染來自分子污染和粒子污染。污染會使各種傳感器信號強(qiáng)度下降;使太陽電池功率輸出下降;使輻射器和太陽能反射器溫度升高;使反射鏡反射信號強(qiáng)度降低;降低了焦平面陣列信噪比;粒子污染會影響透鏡和焦平面陣列信號的傳輸，降低信號強(qiáng)度;污染對低溫光學(xué)器件影響嚴(yán)重，污染氣體凝結(jié)的可能性明顯增加。有效控制污染的方法是航天器在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到控制污染的問題，并在生產(chǎn)到發(fā)射全過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(jù)外部污染情況分析結(jié)果，分為制造和試驗(yàn)、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(yán)重影響，必須高度重視污染問題。