星載激光雷達(dá)系統(tǒng)污染增強(qiáng)損傷效應(yīng)及防護(hù)試驗研究

焦子龍，姜利祥，孫繼鵬，黃建國，朱云飛

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星載激光雷達(dá)系統(tǒng)污染增強(qiáng)損傷效應(yīng)及防護(hù)試驗研究

焦子龍1, 2，姜利祥1, 2，孫繼鵬1, 2，黃建國1, 2，朱云飛1, 2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

真空污染環(huán)境會加劇激光誘導(dǎo)損傷，嚴(yán)重影響激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。文章對已有研究進(jìn)行了分析總結(jié)，詳細(xì)介紹了星載激光雷達(dá)系統(tǒng)污染增強(qiáng)損傷效應(yīng)及防護(hù)試驗平臺的設(shè)計、試驗方法及結(jié)果，歸納提出了星載激光雷達(dá)系統(tǒng)污染防護(hù)措施，對我國相關(guān)研究的開展提出了建議。

星載激光雷達(dá)系統(tǒng);污染;激光損傷閾值;污染防護(hù)

0 引言

自20世紀(jì)90年代起，星載激光雷達(dá)系統(tǒng)由于具有更高的垂直和水平分辨率、不受光照條件限制、探測靈敏度高、識別能力強(qiáng)等特點在高分辨率地理信息獲取、大氣探測、深空科學(xué)探測、空間交會對接等任務(wù)中獲得廣泛應(yīng)用。星載激光系統(tǒng)會經(jīng)受空間高真空、極端溫度變化、粒子輻射、太陽電磁輻射等復(fù)雜環(huán)境的影響，且不可在軌維護(hù)，因此相比地面應(yīng)用系統(tǒng)需要具有更高的可靠性和壽命[1]。

星用非金屬材料在空間真空、熱環(huán)境下放氣產(chǎn)生的分子污染物會沉積在光學(xué)表面或形成局部的氣體環(huán)境[2-3]。這種環(huán)境與激光協(xié)同作用，將導(dǎo)致光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷閾值降低。20世紀(jì)90年代初，Hovis等人針對調(diào)Q的Nd:YAG激光器受到甲苯污染而進(jìn)行的試驗發(fā)現(xiàn)：潔凈環(huán)境下光學(xué)表面在106次激光脈沖作用下表現(xiàn)良好，但在被污染的情況下，8000次激光脈沖即可發(fā)生激光誘導(dǎo)損傷[4-6]。NASA多個星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，如空間激光雷達(dá)技術(shù)試驗（LIDAR In-Space Technology Experiment, LITE）、火星軌道器激光高度計2號（Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA 2）和地球科學(xué)激光高度計（Geoscience Laser Altimeter System, GLAS）都出現(xiàn)過因污染問題造成的性能退化甚至失效，空間污染環(huán)境使得激光系統(tǒng)光學(xué)元件的損傷閾值明顯降低，嚴(yán)重影響激光系統(tǒng)的可靠性與壽命[7-9]。

目前我國正在開展星載激光系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究，因此有必要對污染環(huán)境效應(yīng)給予足夠的重視。本文詳細(xì)闡述了污染環(huán)境下激光誘導(dǎo)損傷效應(yīng)研究的試驗設(shè)備、方法、主要結(jié)果以及防護(hù)措施，最后對國內(nèi)相關(guān)研究提出了建議。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 典型試驗系統(tǒng)組成

德國航天研究中心（DLR）研制了污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷試驗系統(tǒng)，如圖1所示[9]。該系統(tǒng)由真空室及抽氣系統(tǒng)、污染施加裝置、激光器系統(tǒng)和損傷檢測系統(tǒng)組成。為避免污染，采用無油真空抽氣系統(tǒng)。被測光學(xué)元件作為窗口鏡安裝，即光學(xué)元件兩表面分別處于大氣和真空環(huán)境中。這種方式便于在線探測表面損傷。試驗中典型污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷形貌如圖2所示。

圖1 DLR激光系統(tǒng)污染研究裝置

圖2 典型污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷形貌

1.2 污染物樣品施加

甲苯是高分子有機(jī)材料制備的常用溶劑，且毒性較低，因此常被用來作為典型碳?xì)湮廴疚镞M(jìn)行污染測試試驗。試驗中，通過針閥將污染氣體引入裝置內(nèi)，待其分壓達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)閥門，保持該分壓進(jìn)行試驗。

當(dāng)研究特定材料放氣污染的影響時，也可以采用如圖3所示的蒸發(fā)室。蒸發(fā)室本體為不銹鋼材質(zhì)，兩端安裝光學(xué)元件樣品1。蒸發(fā)室本體外纏繞加熱帶2，被測材料3放置于蒸發(fā)室內(nèi)。但污染物量級在試驗中難以控制。

圖3 蒸發(fā)室示意圖

1.3 損傷檢測方法

Normaski微分相襯顯微鏡、He-Ne激光器散射檢測是標(biāo)準(zhǔn)的損傷檢測方法。為了在線檢測光學(xué)元件樣品表面污染情況，需要增加其他檢測手段，主要采用的是原位激光誘導(dǎo)熒光（in-situ laser-induced fluorescence）。

沉積污染物在紫外激發(fā)下產(chǎn)生熒光，熒光的強(qiáng)度與沉積物厚度（在小于100nm范圍內(nèi)）成正比。因此通過電子倍增CCD檢測沉積污染的動態(tài)變化，其沉積物厚度測量精度可達(dá)1nm。測量結(jié)果與白光干涉顯微鏡測量結(jié)果對比如圖4所示。

圖4 污染沉積的熒光圖像與干涉圖像對比

2 試驗方案

星載激光系統(tǒng)的特點為高脈沖能量、高重頻，因此激光損傷閾值測試一般采用ISO 11254-2-2001規(guī)定的S-on-1測試方法[10]。

測試試驗前，真空容器、樣品等應(yīng)做好清潔，避免自身污染影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，光學(xué)樣品用丙酮擦拭，然后進(jìn)行4h、150℃真空烘烤。對真空容器進(jìn)行100℃真空烘烤[11]。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 分子污染累積形貌

圖5給出了355nm脈沖激光輻照作用下的污染物形貌變化過程[12]。從圖中可以看出，起初污染穩(wěn)定增長，形成了餅狀結(jié)構(gòu)。隨著污染膜增厚，吸收率增大，吸收的激光輻照增多，污染沉積處溫度升高，污染開始脫附，在沉積污染中心處，脫附速率大于沉積速率，因此逐漸形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。試驗還證明，環(huán)形中間孔隨著激光能量密度的增大而增大。同時，若激光能量密度較小，則不會形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，污染物厚度隨著時間延長呈線性增長。

圖5 355nm脈沖激光輻照下污染物形貌及其變化

3.2 污染對激光損傷閾值的影響

德國航天研究中心的Riede等人針對355nm激光開展了污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷的試驗研究[11]。激光波長為355nm，采用的典型污染物為萘和蒽，分壓為10-1～10-2Pa。光學(xué)元件樣品為未鍍膜、鍍增透膜和高反膜的融熔石英。試驗發(fā)現(xiàn)，污染物存在時，光學(xué)元件的激光損傷閾值降低了1個數(shù)量級。

NASA戈達(dá)德航天飛行中心的Chen等人對1064nm的激光系統(tǒng)污染進(jìn)行了試驗研究[13]。試驗采用Nd:YAG激光器，波長為1064nm，平均功率2W，脈沖重復(fù)頻率20Hz，光斑直徑8mm。激光由光路系統(tǒng)輻照至真空室的窗口鏡。真空室內(nèi)有放氣污染源，以及一套溫控石英晶體微量天平監(jiān)測放氣量。作為放氣源的試驗材料為膠粘劑、導(dǎo)熱硅脂、灌封膠等5種。試驗過程中材料被加熱至45、60、80℃，模擬其典型使用溫度。真空室初始絕對壓力為2×10-4Pa。激光脈沖能量為90.9mJ，光斑直徑4mm?？偯}沖數(shù)大于106次。試驗發(fā)現(xiàn)5種材料產(chǎn)生的污染物均使窗口鏡的激光誘導(dǎo)損傷閾值大大降低（無污染時為30J/cm2，有污染時為1J/cm2）。試驗還發(fā)現(xiàn)，材料加熱溫度越高，污染越嚴(yán)重，窗口鏡損傷越嚴(yán)重。

3.3 損傷機(jī)理

通過上述研究可發(fā)現(xiàn)，各種波長的激光系統(tǒng)在痕量污染存在的情況下都有可能產(chǎn)生污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷。損傷程度與污染物成分、光學(xué)材料性質(zhì)、激光特性參數(shù)等有密切關(guān)系。目前認(rèn)為，由于污染物吸附于光學(xué)表面，在激光輻照的作用下發(fā)生了光催化過程，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)表面發(fā)生損傷。但由于損傷過程涉及多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，損傷的機(jī)理仍有待從理論和試驗方面進(jìn)行研究[12]。

4 污染防護(hù)措施

不同的激光波長、能量密度、污染物成分會產(chǎn)生不同的影響，因此需要仔細(xì)評估材料放氣產(chǎn)物及其效應(yīng)。但目前并不能建立潔凈度、材料放氣特性與污染增強(qiáng)激光誘導(dǎo)損傷的關(guān)系，因此無法定量地建立污染控制要求，使得現(xiàn)有的控制防護(hù)措施過于嚴(yán)格、苛刻。此外，由于真空熱環(huán)境下材料放氣無法避免，所以只能采取措施減緩污染及其環(huán)境效應(yīng)，這可以從污染源控制、污染傳輸途徑控制和光學(xué)表面防護(hù)等途徑入手。

污染源分析控制的主要措施包括嚴(yán)格的材料篩選，硅酮類材料、聚氨酯類材料等應(yīng)盡量避免使用，例如，月球軌道器激光高度計（Lunar Orbiter Laser Altimeter, LOLA）上的污染控制要求不能使用硅酮類物質(zhì)[13]。若有必要，應(yīng)進(jìn)行材料/設(shè)備的真空烘烤，但真空烘烤只能減少污染，不能清除污染。

污染傳輸控制包括增加污染吸附裝置等。為避免污染從源傳輸至敏感光學(xué)表面，可使用冷阱或者吸附劑等。為使放氣產(chǎn)物從腔體中排出，LOLA上設(shè)計了專門的排氣孔，內(nèi)加過濾器[13]。在40Pa的純氮氣環(huán)境下，利用沸石作為分子吸附器，也可以有效清除污染。但是地面試驗環(huán)境下受重力作用的影響，在軌時該方法的有效性還需要驗證[14]。

光學(xué)表面污染防護(hù)控制包括涂覆污染防護(hù)涂層、表面精清洗等措施，以盡可能減少光學(xué)表面污染量，從而提高激光損傷閾值。Aerospace Corp.的Weiller等人針對熔融石英玻璃開發(fā)了低表面能氟化涂層，用于降低污染物黏附，試驗發(fā)現(xiàn)帶有涂層的熔融石英玻璃的激光損傷閾值增大了50倍以上[15]。而Jitsuno等人發(fā)現(xiàn)通過酒精清洗光學(xué)表面，激光損傷閾值可提高至2～3倍[16]。Wernham等人試驗發(fā)現(xiàn)，通過向試驗容器充入壓力大于20Pa的純氧可產(chǎn)生污染清除效應(yīng)，有效對光學(xué)表面進(jìn)行有效防護(hù)[14]，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

5 研究建議

星載激光系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。NASA在激光系統(tǒng)風(fēng)險減緩計劃（laser risk reduction program, LRRP）項目開始策劃時即指出，污染是激光系統(tǒng)的主要危險因素之一。我國正在開展星載激光雷達(dá)等相關(guān)技術(shù)的研究，因此極有必要有針對性地開展星載激光系統(tǒng)的常見污染物分析、污染造成的激光損傷閾值（工作壽命）測量、污染防護(hù)措施等方面的研究。而且，相關(guān)研究成果也有助于提高激光聚變裝置中的污染防護(hù)水平[16]。

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（編輯：馮露漪）

Tests for contamination enhanced and laser-induced damage in spaceborne lidar system and its prevention

JIAO Zilong1, 2, JIANG Lixiang1, 2, SUN Jipeng1, 2, HUANG Jianguo1, 2, ZHU Yunfei1, 2

(1. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The contaminating environment induced by the space thermal vacuum environment aggravates the laser-induced damage of the optics, and severely degrades the performance of the spaceborne lidar system. This paper firstly reviews the related researches, then expounds on the design and the setup of the contamination enhanced and laser-induced damage effect and protection test platform, the procedure of the test and the test results. Measures for controlling the contamination of spaceborne lidar systems are summarized. Some directions for related domestic research are proposed.

spaceborne lidar system; contamination; laser damage threshold; contamination prevention

V430

A

1673-1379(2017)04-0419-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.014

焦子龍（1979—），男，博士學(xué)位，高級工程師，從事空間特殊環(huán)境及效應(yīng)的實驗和評價技術(shù)研究。E-mail: novanova2009@163.com。

2017-03-03；

2017-07-18