卫星激光防护薄膜窗口的设计与制备技术研究

1 引 言

随着高能激光武器的快速发展，激光武器迅速成为一种具有直接杀伤力的新式武器。当前反卫星激光武器的发展，迫切需要研究和发展卫星的激光防护技术，尤其是对卫星的光学遥感系统(特别是光电探测器)进行抗激光致盲或损伤的加固和防护，以增强卫星在空间的生存与防护能力。

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的氟化氢(HF)激光器以及3.8 μm的氟化氘(DF)激光器[1-6]3种。对卫星而言，常用的可见光/近红外CCD相机的工作波段为0.5～0.8 μm，激光通信工作波长为1.55 μm[7-9]。因此，迫切需要研制在卫星工作波段有高透过率和激光武器波长处有较低透过率的激光防护窗口，实现卫星反激光武器的防护。

对于卫星激光防护膜，国内外已进行过相关研究。美陆军纳蒂克研究中心[10]研制一种组合式层状结构防护镜，其利用多层介质膜可对特定波长激光的反射衰减达到激光防护效果。据报道可防护532、694和1 064 nm 3种激光，光密度为4，可见光透过率达73%，其主要缺点是玻璃箔易损。兰州物理研究所[11]选取TiO2和SiO2作为高低折射率镀膜材料，在K9玻璃设计和制备了可以对氧碘激光进行防护的薄膜，在遥感仪器的工作波段500～900 nm内，平均透射率达到95.2%，在以1 315 nm为中心的一定波段范围内，反射率超过99.3%，可有效防护星载遥感仪器，大幅度提高遥感仪器的生存能力。长春理工大学[12-15]在可见光/近红外波段开展了大量的激光防护薄膜研究，针对军用光电仪器对激光致盲武器的防护要求,采用Si和YbF3,ZnS和YbF3两种高低折射率组合材料研制了激光防护减反射膜。在多光谱ZnS 基底上，采用电子束及离子辅助沉积技术，制备了能够对532 nm和1 064 nm激光进行有效防护, 同时对3～5 μm的波段具有高透射率的薄膜。

本文针对0.5～0.8 μm可见光/近红外CCD相机、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，设计和制备了线性激光防护薄膜，实现工作波段的高透过和激光武器波段的低透过，对于卫星平台防护激光武器具有重要的作用。

2 薄膜光学常数计算

图1 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的可见光-近红外透过率曲线
Fig.1 Transmittance curves of Ta2O5 and SiO2 films in the range from visible to near infrared wave band

本文采用Lambda900分光光度计对熔融石英基底上Ta2O5和SiO2薄膜的可见光-近红外透射光谱进行了测量，测量结果如图1所示。采用BRUKER公司的VERTEX70型红外傅立叶变换光谱仪对Si基底上Ta2O5和SiO2薄膜的近红外-中红外透射光谱进行了测量，如图2所示。

图2 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的近红外-中红外透射率曲线
Fig.2 Transmittance curves of Ta2O5 film and SiO2 film in the range from near infrared to middle infrared wave band

图3 单层膜结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of single-layer film structure

图4 离子束溅射Ta2O5和SiO2薄膜的折射率曲线
Fig.4 Refractive index curves of Ta2O5 and SiO2 films prepared by IBS

本文采用WVASE32软件对测量的透射光谱数据进行了拟合，在计算单层膜特性拟合过程中，选择的折射率模型包括基底、有效介质近似层(包括50%的基底和50%的单层膜)、柯西模型层和表面粗糙度层(包括50%的空气和50%单层膜)，如图3所示。获得的Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的物理厚度分别为591.1和870.9 nm，折射率曲线如图4所示。

3 线性激光防护窗口的设计

以可见光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透过和1.315、2.7和3.8 μm强激光的防护为背景进行设计，其线性激光薄膜防护窗口结构示意图如图5所示，选择10 mm厚的k9玻璃为窗口基底，Ta2O5和SiO2分别为高低折射率薄膜材料。

图5 线性激光防护窗口示意图
Fig.5 Schematic diagram of linear laser protection window

在k9基底一面设计工作角度为0°的三波段分光薄膜，实现1.315 μm波长的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，基本膜系结构为Sub/(0.5L H 0.5L)^14/Air，参考波长为1.315 μm，优化前6层和后7层后，最终膜系结构为：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，理论设计透过率曲线如图6所示。

图6 双波段减反射薄膜和三波段分光薄膜的理论设计透过率曲线
Fig.6 Theoretical design transmittance curve of two-band antireflective film and three band spectroscopic thin film

在k9基底另一面设计工作角度为0°的双波段减反射薄膜，实现0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透，基本膜系结构为Sub/(LH)^5 L/Air，参考波长为0.65 μm，对所有膜层全优化后获得最终膜系结构为：Sub/0.97L 0.15H 0.50L 1.86H 1.67L 1.67H 1.02L 0.17H 0.48L 0.97H 0.94L /Air，理论设计透过率曲线也如图6所示。

通过三波段分光膜和双波段减反射薄膜共同作用即可获得多谱段线性激光防护薄膜窗口，其理论设计透过率曲线如图7所示。可以得到：对于0.5～0.8 μm和1.55 μm波段，能分别实现大于95%和98%的透过；对于1.315、2.7、3.8 μm波段能分别实现小于0.1%、20%和0.5%的透过。综合分析，设计的线性激光防护薄膜窗口能实现可见光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透过和1.315、2.7和3.8 μm强激光的低透过，既满足了卫星工作波段的高透过，又能防护强激光武器的攻击。

图7 线性激光防护窗口的理论设计透过率曲线
Fig.7 Theoretical design transmittance curve of linear laser protection window

4 线性激光防护窗口的制备和分析

采用双离子束溅射沉积技术，根据第2节结果，选择Ta2O5和SiO2分别作为高低折射率薄膜材料，在K9基底上制备了线性激光防护窗口薄膜。采用Lambda900分光光度计对双面镀膜的线性激光防护窗口薄膜的可见光-近红外透射曲线进行测试，测试结果如图8所示，采用BRUKER公司的VERTEX70型红外傅立叶变换光谱仪对其近红外-中红外波段的透射光谱进行了测试，测试结果如图9所示。

图8 线性激光防护窗口薄膜的可见光-近红外透射曲线
Fig.8 Measured visible-near infrared transmission curve of linear laser protective window

图9 线性激光防护窗口薄膜的近红外-中红外透射曲线
Fig.9 Measured near infrared-middle infrared transmission curve of linear laser protective window

由图8和图9的测试曲线与图7的理论设计曲线对比可知，线性激光防护窗口的测试曲线与理论设计曲线基本吻合，在0.5～0.8 μm的平均透过率大于96%，1.55 μm的透过率大于98%，1.315 μm的透过率小于0.1%，在2.7 μm的透过率为30%，在3.8 μm的透过率为1.1%。

线性激光防护窗口的测试结果表明，采用离子束溅射沉积技术，在k9玻璃一面镀制三波段分光膜，另一面镀制双波段减反射膜，可以实现0.5～0.8 μm可见光/近红外CCD相机和1.55 μm的激光通信波段的高透过率，1.315、2.7和3.8 μm波段的低透过率。实验结果表明，在不影响可见光/近红外CCD相机和激光通信的正常工作条件下，实现了对工作波长为1.315、2.7和3.8 μm的高功率激光的防护，防护效率分别达到30、5和20 dB，对于卫星平台防护激光武器具有重要的意义。

5 结 论

本文针对0.5～0.8 μm可见光/近红外CCD相机、1.55 μm的激光通信波段，在K9玻璃基底上一面设计和制备了三波段分光膜，实现1.315 μm波长的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，然后在k9玻璃基板另一面设计和制备了双波段减反射膜，实现0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透。研制的防护窗口在0.5～0.8 μm的平均透过率大于96%，1.55 μm的透过率大于98%，1.315 μm的透过率小于0.1%，在2.7 μm的透过率为30%，在3.8 μm的透过率为1.1%，实现了对高功率激光的防护。实验结果表明，该方法实现了可见光-近红外-中红外波段激光防护窗口的制备，对于卫星平台防护激光武器具有重要的作用。