大口徑空間相機(jī)反射鏡高反膜研究進(jìn)展

何世昆,王 剛,白云立,張繼友,周于鳴,王 利,黃巧林*,李 晟

(1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100076； 2.山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺(tái) 264035)

引 言

隨著空間遙感技術(shù)以及火箭運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展，空間光學(xué)系統(tǒng)的口徑得到很大的提升，空間光學(xué)系統(tǒng)的分辨率也隨之大大提升。如今，空間相機(jī)已在地質(zhì)、水質(zhì)勘探、農(nóng)業(yè)遙感觀測(cè)、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)、深空探測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。

1990年，人類首次成功將大口徑空間望遠(yuǎn)鏡——哈勃(Hubble)空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射進(jìn)入太空[1]。直到今天，Hubble太空望遠(yuǎn)鏡仍是已發(fā)射上天的最大的一體式主反射鏡的太空望遠(yuǎn)鏡。2009年發(fā)射的Herschel赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡[2-5]以及一再推遲發(fā)射的JWST詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡[6-9]，主反射鏡均采用了拼接結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)八、九十年代是研究大口徑空間相機(jī)研究熱點(diǎn)時(shí)期，但伴隨著研制周期長(zhǎng)、研究費(fèi)用高昂的缺點(diǎn)，大口徑空間相機(jī)的研究熱度逐漸降低[10-11]。近年來(lái)，隨著空間遙感，大口徑反射鏡制備技術(shù)以及火箭運(yùn)載技術(shù)的進(jìn)步，大口徑空間相機(jī)重新走入了人們的視野。目前大口徑空間相機(jī)仍面臨更寬的工作譜段、基底光學(xué)性能提升、空間環(huán)境的影響以及薄膜應(yīng)力的影響這幾方面的困難。作者對(duì)近年來(lái)空間相機(jī)大口徑反射鏡高反膜的研究成果,以及科研過(guò)程中遇到的問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的一些新的解決思路和方法進(jìn)行了綜述。

1 更寬的工作波段以及更高的反射率

早期空間相機(jī)在可見(jiàn)光譜段的工作范圍是450nm～900nm。隨著可觀測(cè)對(duì)象的增多，400nm～450nm譜段越來(lái)越受到重視，在監(jiān)測(cè)內(nèi)陸及海洋水質(zhì)、礦物質(zhì)識(shí)別、森林植被覆蓋監(jiān)測(cè)等研究方向都擁有重要的應(yīng)用[12-15]。表1中列舉了部分該譜段的應(yīng)用領(lǐng)域及譜段中心波長(zhǎng)等技術(shù)參數(shù)。

表1 400nm～450nm譜段應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

目前國(guó)外研制的空間光學(xué)相機(jī)的光譜指標(biāo)已經(jīng)由450nm擴(kuò)展到400nm。表2中為國(guó)外部分光學(xué)相機(jī)技術(shù)參數(shù)。

對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，可獲取到地物反射光譜特性。利用反射光譜特性可進(jìn)行地球表面物質(zhì)的成分、形態(tài)、分布、含量、動(dòng)態(tài)變化以及物體分類方面的研究。為了提高近紫外到近紅外譜段光學(xué)系統(tǒng)的觀測(cè)成像質(zhì)量，完成近紫外到近紅外譜段范圍光學(xué)儀器共用光學(xué)視窗的研究，在一定程度上減輕觀測(cè)設(shè)備的自身重量，使其更為輕巧精密，將工作譜段進(jìn)一步擴(kuò)展到了350nm。表3中為幾種典型成像光譜儀的相關(guān)參數(shù)。

空間相機(jī)反射鏡高反膜材料一般為金屬材料，增加反射鏡的工作譜段往往需要在金屬膜上鍍制具有一定膜層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)膜，這就造成增加空間相機(jī)工作譜段范圍的同時(shí)引起反射率的降低[16]。另外以前由于材料和科學(xué)技術(shù)的限制，在金屬膜上鍍制滿足空間工作環(huán)境的介質(zhì)膜是十分困難的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前在反射膜的制備上將大口徑空間相機(jī)的工作譜段拓寬已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

由于增加空間相機(jī)工作譜段范圍的同時(shí)會(huì)引起反射率的降低，因此，目前寬譜段大口徑空間相機(jī)反射鏡研究工作的重點(diǎn)在于保證空間相機(jī)在足夠?qū)挼墓ぷ髯V段范圍內(nèi)都具有足夠高的反射率。現(xiàn)階段較常采用的方法是在金屬膜上鍍制一定膜系結(jié)構(gòu)的介質(zhì)膜來(lái)提升近可見(jiàn)波段的反射率，介質(zhì)膜較常采用的材料有SiO2,Ta2O5,HfO2等。

目前國(guó)內(nèi)高分五號(hào)衛(wèi)星在400nm～2500nm全譜段平均反射率大于95%。國(guó)外在250nm～700nm的工作譜段范圍平均反射率已達(dá)到97%以上。北京空間機(jī)電研究所WANG研究團(tuán)隊(duì)目前已將空間相機(jī)大口徑反射鏡400nm～450nm工作譜段的反射率提升至95%以上，400nm～900nm寬工作譜段平均反射率不低于98%；350nm～1200nm譜段平均反射率提升至97%以上，350nm～500nm工作譜段反射率不低于90%。

表2 部分國(guó)外光學(xué)相機(jī)技術(shù)參數(shù)

表3 幾種典型的成像光譜儀

2 提升大口徑反射鏡基底的光學(xué)性能

20世紀(jì)上半葉，空間相機(jī)的主鏡普遍采用如微晶玻璃、熔石英等膨脹系數(shù)比較低的的這一類材料。這類材料能夠很好地滿足空間光學(xué)系統(tǒng)的拋光要求，能夠制造成滿足需要的空間光學(xué)反射鏡基底。但是，這類材料的強(qiáng)度不佳，不滿足抗熱形變方面要求，難以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因此不適用于制備大口徑空間相機(jī)主鏡基底。20世紀(jì)70年代，碳化硅(SiC)和碳化硅基復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用在空間反射鏡領(lǐng)域。碳化硅和碳化硅基復(fù)合材料具有耐銷蝕、耐高溫、強(qiáng)度大、抗沖擊、導(dǎo)熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，可以充分滿足空間相機(jī)大口徑反射鏡對(duì)于基底材料選擇的要求[17-20]。

但是碳化硅基底的加工效率低，表面較為粗糙，若直接在其上鍍制反射膜會(huì)使表面光散射損耗較大，無(wú)法滿足空間應(yīng)用的需求，因此，在鍍制反射膜之前需要對(duì)碳化硅基底進(jìn)行改性。

目前常采用的改性方法是在SiC基底上鍍制10μm左右的Si，再對(duì)反射鏡表面進(jìn)行拋光加工，改性后基底表面粗糙度可達(dá)到2nm左右。但是這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是對(duì)鍍有10μm Si膜磨制時(shí)有磨漏的風(fēng)險(xiǎn);二是Si膜層應(yīng)力過(guò)大[21]。

最近一種新的SiC基底改性方法已被提出[22]，這種方法是在研磨后的SiC表面直接鍍制10nm厚度的Ti成核層，通過(guò)這種方法可以避免磨漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可在一定程度上對(duì)SiC表面粗糙度進(jìn)行改善。

3 空間環(huán)境對(duì)高反膜性能的影響

近地空間[23]一般指從海平面起100km～36000km的球殼狀空間區(qū)域。對(duì)航天任務(wù)影響較大的空間環(huán)境因素主要有：真空熱循環(huán)、空間帶電粒子輻射、原子氧、電離層、地磁場(chǎng)以及空間碎片等。圖1為常見(jiàn)的空間環(huán)境。

圖1 常見(jiàn)的空間環(huán)境

由于反射鏡口徑增大所帶來(lái)的影響遠(yuǎn)小于材料本身所受空間環(huán)境的影響，因此,目前空間環(huán)境對(duì)空間反射鏡高反膜影響研究的熱點(diǎn)主要集中在膜層本身所受真空熱循環(huán)、空間帶電粒子輻照和原子氧影響這幾方面。

3.1 真空熱循環(huán)的影響

在真空熱循環(huán)的影響下，光學(xué)元器件主要的損傷表現(xiàn)形式有以下兩種[24]：(1)光學(xué)膜層剝落。由于膜層與基底之間的熱脹系數(shù)存在差異，當(dāng)經(jīng)過(guò)熱循環(huán)過(guò)程后，膜層與基底之間由于熱應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致膜層的脫落;(2)反射鏡面形的改變。大口徑反射鏡對(duì)面形的要求很高，在熱循環(huán)作用的影響下，大口徑反射鏡表面的溫度相對(duì)于內(nèi)部的變化更為劇烈，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，在反射膜材料內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致反射鏡的面形發(fā)生改變。參考文獻(xiàn)[25]中對(duì)直徑200mm的反射鏡進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，基底材料選擇石英玻璃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表中,λ是波長(zhǎng)。

表4 低溫和高溫實(shí)驗(yàn)后石英玻璃反射鏡的面形變化

為了減小真空熱循環(huán)對(duì)反射膜的影響，目前較常采用的做法是根據(jù)航天器運(yùn)行軌道計(jì)算每天熱循環(huán)次數(shù)，再根據(jù)航天器的使用壽命計(jì)算出壽命周期內(nèi)熱循環(huán)總數(shù)，結(jié)合有限元分析軟件以及試驗(yàn)檢測(cè)來(lái)對(duì)反射膜的性能進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 空間帶電粒子輻照的影響

QI等人[26-27]對(duì)石英基底反射鏡和微晶玻璃基底反射鏡進(jìn)行高能質(zhì)子、電子輻照試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：MeV以上的高能質(zhì)子和電子輻照對(duì)反射鏡光學(xué)性能影響有限。

參考文獻(xiàn)[28]中研究了低能質(zhì)子、電子輻照對(duì)鋁膜光學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照會(huì)導(dǎo)致反射鏡在200nm ～ 800nm的波段內(nèi)反射率出現(xiàn)下降；隨著輻照強(qiáng)度的增加，反射鏡的反射率下降更為明顯，且出現(xiàn)紅移現(xiàn)象；質(zhì)子輻照對(duì)于對(duì)于紅外光譜范圍，影響十分有限；隨著輻照強(qiáng)度的增加，損傷具有降低的趨勢(shì)。

100keV不同強(qiáng)度電子輻照試驗(yàn)表明，輻照后反射鏡反射率在200nm～ 210nm譜段稍有下降，其余譜段反射率未出現(xiàn)明顯變化。一定強(qiáng)度的質(zhì)子輻照能會(huì)使反射鏡表面起泡。

由于輻照度的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程[29-30]，目前降低空間粒子輻照對(duì)反射膜光學(xué)性能的影響的方法還是使用運(yùn)用SRIM程序計(jì)算不同能量的質(zhì)子在反射鏡表面膜系中進(jìn)入深度以及能量損失，參照仿真結(jié)果來(lái)分析質(zhì)子能量對(duì)反射鏡輻照效應(yīng)的影響，并用質(zhì)子輻照試驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以此來(lái)調(diào)節(jié)鍍膜參數(shù)，達(dá)到降低粒子輻照對(duì)反射鏡光學(xué)性能的影響的目的。

3.3 原子氧的影響

原子氧具有極強(qiáng)的氧化性，很容易和作為大口徑反射鏡鍍膜材料的鋁和銀反應(yīng)生成的氧化物，造成反射膜層逐漸剝蝕。同時(shí)原子氧還可與鋁、硅等材料形成粘性氧化物，影響光學(xué)系統(tǒng)性能[31]。

參考文獻(xiàn)[32]中研究了原子氧對(duì)聚酰亞胺/Al薄膜性能的影響。結(jié)果表明：原子氧的輻照時(shí)間與薄膜材料的質(zhì)量損失成正比；進(jìn)行原子氧輻照時(shí)，聚酰亞胺/Al膜的吸收率呈上升趨勢(shì)，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)吸收率增幅趨于平穩(wěn)；隨著原子氧作用時(shí)間的延長(zhǎng)，薄膜材料表面粗糙度也隨之增加。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后1h～2h時(shí)，薄膜材料表面粗糙度變化不大；在2h～12h實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，薄膜材料表面粗糙度變化明顯，材料的吸收率變化較大。

目前減小原子氧[33-34]對(duì)反射膜影響的方法是在金屬膜上鍍制厚度足夠的保護(hù)層，并且在鍍制保護(hù)層時(shí)應(yīng)保證保護(hù)膜層得到充足的氧化。

4 薄膜應(yīng)力的影響

目前在大口徑基底上鍍制反射膜通常采用熱蒸法或者濺射法。當(dāng)鍍膜材料在基板上沉積時(shí)，這一過(guò)程是鍍膜材料從熔融狀態(tài)氣體沉積轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w薄膜的相的變化，另外,在沉積過(guò)程中，由于沉積粒子間的拉伸、擠壓，會(huì)造成成膜過(guò)程產(chǎn)生微孔、缺陷等，進(jìn)而在鍍膜過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；由于薄膜和基板之間的熱膨脹系數(shù)不同，鍍膜完成后在卻過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生[35]。

對(duì)于薄膜光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其穩(wěn)定性與應(yīng)力大小成反比關(guān)系。

金屬反射膜的應(yīng)力主要來(lái)源于從鍍膜溫度冷卻至室溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力[36]，因此,在降低金屬反射膜應(yīng)力方面的研究主要集中于此，通常采用的方法是在鍍膜前對(duì)膜層在冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析[37-42]，利用有限元分析的結(jié)果作為參考對(duì)鍍膜參量進(jìn)行調(diào)整。

反射膜的應(yīng)力受到鍍膜工藝參量的影響，通過(guò)對(duì)鍍膜溫度、氧分壓等工藝參量的調(diào)整可以有效降低薄膜應(yīng)力；另外可以通過(guò)對(duì)膜系組合優(yōu)化、增加連接層等方式降低多層膜的整體應(yīng)力值；還可以根據(jù)膜層材料的不同選擇合適的退火溫度，同樣可以達(dá)到減小應(yīng)力的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)近些年的快速發(fā)展，對(duì)于大口徑空間相機(jī)的科研、軍事需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。2016年，我國(guó)啟動(dòng)了長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭項(xiàng)目研發(fā)，預(yù)計(jì)2028年前后具備能力投入使用，其運(yùn)輸能力可滿足?4m～?7m范圍內(nèi)的一體式天基光學(xué)載荷。得益于此，我國(guó)也提出了更大的口徑、更寬的工作波段、更穩(wěn)定的光學(xué)性能等一些參數(shù)要求。在國(guó)家的支持下，與之相關(guān)的反射鏡基底研磨技術(shù)、大口徑反射膜鍍制技術(shù)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。但在基底應(yīng)力控制技術(shù)上，如何降低空間環(huán)境對(duì)反射膜光學(xué)性能的影響,以及降低反射鏡設(shè)計(jì)制備成本等方面仍有很多問(wèn)題需要解決。相信通過(guò)研究人員堅(jiān)持不懈的努力，可爭(zhēng)取早日將我國(guó)自己的大口徑空間相機(jī)發(fā)射上天。