1.2 真空和空间环境下引起光学薄膜损伤的潜在因素

1.2.1 大气—真空效应对光学薄膜性能的影响

目前激光系统在真空和空间环境得到广泛应用，这些在大气环境下组装而用在真空或空间环境下的激光系统会经历环境条件的改变。光学薄膜作为激光系统中的关键元件，不可避免地经历大气—真空效应。大气—真空效应对光学薄膜性能的影响一般表现在3个方面：光谱移动、应力变化和损伤阈值的降低。

1.2.1.1 大气—真空效应对光学薄膜光谱性能的影响

当光学薄膜从大气环境到真空环境时，对于电子束沉积的致密度低的多孔柱状薄膜，其透射或反射光谱会向短波方向漂移。这是由于电子束沉积的多孔柱状薄膜的柱状微结构之间存在大量的空隙，而大气—真空效应会促使空隙在大气环境中吸附的水分在真空环境中解析。水分的解析降低了膜层的折射率和光学厚度，从而导致该薄膜的光谱向短波方向移动。

C. J. Stolz等人[6]的研究显示，对于传统电子束沉积的氧化物薄膜，大气—真空效应引起的光谱移动可达3%，如图1-1所示。但对于离子束溅射沉积的氧化物薄膜，其在不同压力环境中的光谱漂移均小于0.02%。W. Riede等人[7]研究了大气—真空效应对电子束沉积和离子辅助沉积制备的Ta2O5/SiO2薄膜的光谱响应，结果如图1-2和图1-3所示。研究结果显示，大气—真空效应引起电子束沉积制备的Ta2O5/SiO2薄膜的光谱向短波方向漂移约2%；而大气—真空效应对离子辅助沉积制备的Ta2O5/SiO2薄膜的光谱基本没有影响。

1.2.1.2 大气—真空效应对光学薄膜残余应力的影响

大气—真空效应对光学薄膜的残余应力有较大的影响，且与光学薄膜的制备技术有关。C. J. Stolz等人[6]研究了大气—真空效应对电子束沉积、离子辅助沉积以及离子束溅射沉积制备的光学薄膜残余应力的影响，如表1-1所示。

研究结果显示，大气—真空效应可使电子束沉积的光学薄膜反射波前P-V值的变化达0.350，且所有经电子束沉积制备的光学薄膜都表现为张应力的增大；离子束溅射沉积制备的光学薄膜从大气环境到真空环境时表现为较小的压应力，反射波前P-V值的变化小于0.013；离子辅助沉积制备的光学薄膜也表现为张应力，大气—真空效应可使其反射波前P-V值的变化达0.159。分析认为，对于电子束沉积制备的多孔柱状微结构薄膜，其中的水汽能够降低柱状微结构之间的表面张力，同时水汽较低的表面会导致薄膜张应力的降低。因此对于多孔柱状微结构薄膜，当环境条件从大气环境变化到真空环境时，水分的解析会使薄膜张应力增大。

1.2.1.3 大气—真空效应对光学薄膜损伤阈值的影响

激光系统在空间环境的广泛应用使得光学薄膜得以迅速发展以便长期稳定、可靠地工作在真空环境中。德国空间中心对ESA-ALADIN空间激光系统中光学薄膜在真空环境下的激光损伤进行了研究。研究结果显示，电子束沉积制备的光学薄膜在真空环境下都表现为抗激光损伤能力的降低，并且这种降低不依赖于激光波长、光学薄膜种类及其他参数。而致密的光学薄膜（如离子辅助沉积和离子束溅射沉积制备的光学薄膜）不会显示出这种效应。结果如表1-2和表1-3所示[8]。

图1-4和图1-5分别为电子束沉积和离子辅助沉积制备的光学薄膜在大气与真空环境下的多脉冲损伤测试结果。结果显示，对于电子束沉积制备的光学薄膜，其真空环境下的损伤阈值低于大气环境下的损伤阈值，并且在脉冲数大于100的情况下，真空环境下的损伤阈值相对于大气环境来说约降低到原来的1/3，而对于离子辅助沉积制备的光学薄膜，大气环境与真空环境下的损伤没有明显差异。

1.2.2 空间环境下高能辐射对光学薄膜性能的影响

空间环境中的高能辐射是光学薄膜的一种潜在威胁。德国的W. Riede等人研究了高能质子辐射、光子辐射对光学薄膜的影响[7]。其中，高能质子由瑞士的Paul-Scherrer研究院的质子辐射装置产生（Proton Irradiation Facility, PIF）并经由回旋加速器加速后辐射样品；光子由ESTEC辐射装置的Co-60辐射源产生。为保证每一样品受到同样的辐射量，样品呈圆形排列放置，如图1-6所示。

研究结果如图1-7和图1-8所示，可以看到高能辐射导致KTP晶体透过率降低，降级效应随着波长的降低而增加，在波长为532nm时，KTP晶体透过率降低可达7%。另外在高能质子辐射过程中，KTP晶体透过率的降级有一个饱和效应：在第二次质子辐射时，透过率趋于饱和，与第一次辐射过程相比，透过率没有明显变化。对于光子辐射，随着辐射剂量的增大，KTP晶体透过率降低越加明显。

1.2.3 真空和空间环境下放气污染对光学薄膜性能的影响

有机污染是真空和空间环境下光学薄膜激光损伤的重要原因。有机污染的主要来源是真空和空间系统中材料的放气[9～13]。LIL激光系统中有机污染色谱图显示，主要的放气污染物是芳香类的化合物及硅树脂[14]。研究表明，当光学薄膜处于有机污染的环境时，放气污染物在光学薄膜表面的沉积对真空环境下使用的光学薄膜是一个重大威胁，而激光辐照加速了放气污染物在光学薄膜表面的沉积。W. Riede等人[7]研究了空间激光系统中广泛使用的环氧树脂、硅树脂和聚亚安酯等有机放气材料在不同温度和不同能量密度激光辐照下在光学薄膜表面的沉积情况，并通过在线测量荧光的分布和强度来监控有机污染物的沉积。研究结果显示，沉积污染物的形貌与入射激光有直接关系，在高能量的激光辐照（大于50 MJ/cm2）下，沉积过程伴随着光斑中心材料的烧蚀过程，一般会出现圆环状的沉积形貌；在低能量密度的激光辐照过程中（小于50 MJ/cm2），薄饼状的形貌是典型的沉积形貌。如图1-9所示，为ZYGO光学干涉仪测量的沉积污染物的形貌及其荧光成像图。

有机污染物在光学薄膜表面的沉积使光学薄膜的激光诱导损伤阈值极大地降低，从而引起光学元件的破坏或寿命的降低。G. Guéhenneux[15]指出，在激光系统中由于材料的放气而产生的化学物质（如硅树脂、芳香类的化合物）是光学薄膜主要的污染源。光学薄膜性能的降低首先是由于污染物分子在光学薄膜表面的沉积，其次是由于这些沉积的污染物分子与脉冲激光的相互作用。C. Scurlock[16]的实验结果显示，在相对低的甲苯偏压环境中，1064 nm激光脉冲辐照熔石英基底，其损伤阈值极大地降低。实验结果表明，在无污染的情况下，在1064 nm、800 mJ/cm2的激光脉冲辐照下，损伤发生在160000个激光脉冲处；在0.3 Torr的甲苯环境中损伤发生在46000个激光脉冲处。P. Tighe[17]等人的研究结果表明，少量的有机污染尤其是芳香类的污染物（如甲苯、氯苯以及萘等）可严重降低光学薄膜的损伤阈值及寿命，如在无污染的真空环境（＜1.3×10-1Pa）中，熔石英窗口镜可以承受2.3×106次峰值功率为1.5 J/cm2的激光脉冲作用，而当充入甲苯气体时，同样能量密度的激光辐照30000次就可以看到损伤。对镀有MgF2的光学薄膜进行实验也会出现类似的现象。

R. M. Villahermosa等人[18]对比研究了有无甲苯污染物的情况下激光辐照为1064 nm光学薄膜的损伤情况。结果显示，在无甲苯污染物的情况下，样品在激光能量，为50 mJ、激光脉冲数为1×106个的激光辐照下没有损伤；而在甲苯污染物存在的情况下，同样的激光能量辐照下大约10万个脉冲就可以导致损伤。甲苯有机污染导致光学薄膜损伤的典型形貌如图1-10所示，可以看出在激光辐照区，光学薄膜已经严重损伤。表面轮廓仪对损伤区的深度测试显示，在损伤区的边缘随机地分布着大小为2 μm的波峰和波谷；相对于光斑边缘，在激光辐照的中心区域损伤程度相对较弱。

K. Bien-Aimé等人[19]比较研究了被污染和未被聚丙烯污染的熔石英的损伤特性。研究结果显示，聚丙烯对熔石英损伤特性有重大影响。洁净的样品在351 nm、14 J/cm2激光辐照下不产生损伤，而被污染的样品其损伤阈值小于10 J/cm2，并且激光能量密度为11～14 J/cm2时相对于洁净样品，污染样品的损伤密度增加了5～200倍，如图1-11所示。