用于觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間望遠鏡上的各種光學器件及其光學涂層必須經(jīng)受住空間環(huán)境和污染的考驗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。對于低溫光學儀器是個相對獨立的系統(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器件的適當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行和順利完成飛行任務(wù)。

　　光學器件中的光學儀器、太陽能電池、輻射器和光學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。光學器件及其光學涂層必須要經(jīng)受住空間環(huán)境和污染的考驗才能保證航天器的可靠性。研究空間環(huán)境和污染對光學器件及其光學涂層的影響和污染控制技術(shù)是非常必要的。

　　1、空間環(huán)境對光學器件及其涂層的影響

　　光學器件及其光學涂層要經(jīng)受空間環(huán)境的考驗。當涂層不夠致密而是多孔涂層時，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器件及其光學涂層是嚴重的挑戰(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。對光學器件及其光學涂層的性能產(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。對具有校準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)備的激光器進行廣泛試驗比較后可觀察到，在真空狀態(tài)下激光損傷閾值比相同樣品在空氣中試驗值減少，因為涂層有一個顯著的孔隙。在致密涂層，從空氣到真空時激光損傷閾值沒有減少。

　　1.2、真空環(huán)境中的熱循環(huán)

　　在空間的光學器件及其涂層常承受大幅度的熱循環(huán)。一般來說，光學器件在空間的熱環(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，當材料由涂層和襯底兩層組成時，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太陽反射器的性能降低是很嚴重的。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。在地面試驗中，在真空中帶有紫外輻照時，太陽能電池蓋玻片性能明顯降低。

　　對于光學太陽反射器，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?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行防護。無保護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、光濾波器等光學器件主要影響因素是TID效應(yīng)。光學材料中結(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，引起材料光學性質(zhì)的改變。光學材料外在表現(xiàn)為變暗變黑，透射率下降，造成光學成像系統(tǒng)的成像信號衰減。材料光學性能的變化會影響光學系統(tǒng)的整體性能。

　　1.5、紫外線輻射

　　紫外線輻射使污染的光學器件受到更大影響。污染表面暴露到紫外線輻射時，光學表面污染氣體沉積比無紫外線輻射明顯增加。由于光學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)境中高強度輻照的激光器光學器件區(qū)域會形成大量吸附沉積物。大氣激光多普勒設(shè)備激光器真空試驗中，由于在紫外線光學器件上激光誘導(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來源。污染層對光學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，有時銀用作衛(wèi)星望遠鏡反射器的涂層，銀涂層可能會影響望遠鏡的性能。在使用保護層時必須當心針孔和其他缺陷的存在。

　　3、結(jié)束語

　　空間環(huán)境對光學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，又會因為涂層與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表面變暗，光學材料和器件性能衰變，使光學系統(tǒng)整體性能下降。紫外線會使光學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，降低信號強度;污染對低溫光學器件影響嚴重，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)計時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。對于低溫光學儀器要根據(jù)外部污染情況分析結(jié)果，分為制造和試驗、在軌冷卻和在軌工作三個階段進行控制污染。由于污染對光學器件性能的嚴重影響，必須高度重視污染問題。