空间环境和污染对光学器件的影响

李鸿勋

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

空间环境和污染对光学器件的影响

李鸿勋

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

用于观测卫星、气象卫星、空间望远镜上的各种光学器件及其光学涂层必须经受住空间环境和污染的考验才能保证航天器的可靠性。采取有效措施减少空间环境的影响是解决问题的关键。对于低温光学仪器是个相对独立的系统，在冷却期间必须保证仪器中最冷的传感器芯片保持最高温度，这样在冷却之前污染物就不会被吸附在表面上。最好的方法是在光学器件的适当位置安装加热器及污染控制罩。

污染；光学器件；传感器；中红外；涂层

0 引言

航天器及其重要部件的表面在空间环境和污染的条件下，会影响航天器及相关部件的可靠性和质量，因此空间环境和污染问题受到了广泛关注，并进行了大量研究工作，以便研讨有效空间环境和控制污染的措施。保障航天器能正常运行和顺利完成飞行任务。

光学器件中的光学仪器、太阳能电池、辐射器和光学太阳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损坏都会影响航天器可靠性。光学器件及其光学涂层必须要经受住空间环境和污染的考验才能保证航天器的可靠性。研究空间环境和污染对光学器件及其光学涂层的影响和污染控制技术是非常必要的。

1 空间环境对光学器件及其涂层的影响

光学器件及其光学涂层要经受空间环境的考验。当涂层不够致密而是多孔涂层时，空间真空会引起光谱漂移和由于水的释放带来压力的变化。低轨道原子氧会引起腐蚀。在阳光照射或其他高能辐射的作用下，会使敏感表面产生光化学反应。暴露到太阳辐射的涂层承受出气污染的紫外线固定。增加了污染沉积的可能，改变了沉积层的特性，使污染层变暗，颜色加深，对敏感表面带来严重影响。在激光诱导污染下，造成高吸附和潜在的激光损害。在深空要承受-270℃的低温。在内行星温度要超过300℃。这样恶劣温度条件对光学器件及其光学涂层是严重的挑战。

空间主要环境成分为真空、低温、太阳辐照、空间辐射和原子氧。对光学器件及其光学涂层的性能产生重要影响。

1.1 空间真空的影响

空间真空压力低轨道典型环境压力为10-6MPa，在高轨道和行星际轨道压力会更低。对于光学器件高致密涂层，真空的影响很小，但对于多孔涂层会造成光谱响应向较低波长移动。经典的电子束蒸发涂层有大的孔隙度，特别是在界面处，由于从地面到空间因而空气到真空的变换是显而易见的。

空气到真空的变换对仪器性能的影响是显著的。大气激光多普勒设备（ALADIN）的激光器主振荡器内的电介质偏振器空气到真空的变换引起Q开关机构完全失效，由于激光腔体无源损失的增加引起的。很显然在空间的涂层必须完全致密化才会避免这种影响。

由于涂层水份损失的影响，产生了应力变化，其应力从压缩变为拉伸。对具有校准性能并敏感的焦平面仪器会引起不可接受的散焦。

激光器涂层会影响激光损伤阈值（LIDT），在对大气激光多普勒设备的激光器进行广泛试验比较后可观察到，在真空状态下激光损伤阈值比相同样品在空气中试验值減少，因为涂层有一个显著的孔隙。在致密涂层，从空气到真空时激光损伤阈值没有減少。

1.2 真空环境中的热循环

在空间的光学器件及其涂层常承受大幅度的热循环。一般来说，光学器件在空间的热环境是用加热器和辐射制冷器来控制的。在低地球轨道工作的光学器件仍要承受-40～+50℃范围的热循环。太阳帆板的盖玻片直接暴露到太阳下，意味着其暴露到-40～+120℃热循环状态。由于真空热循环涂层的失效是经常的，当材料由涂层和衬底两层组成时，材料热膨胀系数不同就会造成应力。

1.3 太阳辐照

太阳粒子辐射和无粒子辐射的太阳辐照作用不同。来自太阳光谱较高能量的紫外线波长能引起涂层变黑，由于彩色中心的形成或有机污染物聚合。在这种情况下，涂层吸附的增加在紫外光谱末端是最大的。

由于太阳辐照，太阳能电池盖玻片和用于辐射制冷器的光学太阳反射器的性能降低是很严重的。太阳能电池盖玻片性能降低，使太阳能电池的转换效率明显减小，造成太阳帆板产生的功率受到损失。太阳反射器的性能降低，这会使辐射制冷器效率受到损失，造成被冷却设备过热。在地面试验中，在真空中带有紫外辐照时，太阳能电池盖玻片性能明显降低。

对于光学太阳反射器，性能降低导致涂层太阳吸收率增加，使辐射制冷器效率降低，导致卫星温度总体增加。

1.4 粒子辐射

在空间的光学器件，主要关注质子和电子，定性的被定义为低能量（<1 MeV）和高能量（>1 MeV）。对于涂层最关注低能量粒子辐射，薄的涂层可以吸收低能量粒子辐射，而较高的能量辐射仅部分被吸收。能量<240 keV的质子能引起特别严重的性能降低，由于多数损伤发生在质子在材料中停止的地方。

粒子辐射引起的衰变效应一般类似于紫外线造成的衰变，在较低波长光学性能有更大的衰变，随着移向较高波长，较低波长逐渐减少。

对粒子辐射诱导的衰变的敏感性可以用适当的掺杂剂减轻。如太阳能电池盖玻片使用铈掺杂或防辐射玻璃进行防护。无保护玻璃会显示出快速变暗，在空间应避免应用。

空间辐射环境对光学器件的影响主要表现两方面：总剂量效应（TID）和置换损伤效应（DDD）。这两种效应都属于累积效应。反光镜、光滤波器等光学器件主要影响因素是TID效应。光学材料中结构缺陷捕获带电粒子，形成新的电子构型中心从而吸收入射光，形成吸收带即色心，引起材料光学性质的改变。光学材料外在表现为变暗变黑，透射率下降，造成光学成像系统的成像信号衰减。材料光学性能的变化会影响光学系统的整体性能。

1.5 紫外线辐射

紫外线辐射使污染的光学器件受到更大影响。污染表面暴露到紫外线辐射时，光学表面污染气体沉积比无紫外线辐射明显增加。由于光学器件表面污染物被紫外线激活的聚合反应和在空间的协同效应。

类似的例子是激光诱导污染（LIC），暴露在非氧化性环境中高强度辐照的激光器光学器件区域会形成大量吸附沉积物。大气激光多普勒设备激光器真空试验中，由于在紫外线光学器件上激光诱导污染，在6 h内会使激光器能量降低2倍。

1.6 原子氧

在地球高轨道时原子氧（ATOX）是大气中的主要成分。主要影响是反应溅射和腐蚀表面，特别是遇到含有与氧元素有反应的表面影响更明显。原子氧对航天器的主要影响是腐蚀。由于航天器表面会产生腐蚀放出气体，这些气体也是空间分子污染的另一个来源。污染层对光学器件表面会带来影响，并且可能与其他环境效应产生反应，使污染变得更加复杂。金属银特别容易受到原子氧影响而性能下降，有时银用作卫星望远镜反射器的涂层，银涂层可能会影响望远镜的性能。在使用保护层时必须当心针孔和其他缺陷的存在。

2 污染对光学器件及其涂层的影响

2.1 污染的来源

（1）粒子污染，是在制造、装配和试验中产生的粒子，油漆气、绝缘碎片、衣服钎维及人类活动产生的物质等地面活动的残留物在空间真空失重条件下会污染航天器。在组件内部及部件缝隙捕获的粒子在振动、运输和发射中会释放也会产生粒子污染物。姿态控制系统或主推进系统排气尾流和蒸发器水释放产生残留云环境，排水孔排出的挥发排放物和控制定位发动机不完全燃烧物是污染的重要来源。

（2）分子污染，在地面加工零件时机械和润滑油的残留物及地面运输环境是分子污染的重要来源，在装配工作中挥发可冷凝材料被暴露到对污染敏感关键表面将要在空间带来潜在的污染危险。

航天器表面和材料出气是分子污染的重要来源。空间真空造成非金属材料出气，这些非金属材料不可避免地要用于航天器。例如：粘合剂、多层绝热用于航天器热控制，碳纤维加筋增强塑料。封、涂层胶粘剂和胶带的主要材料是环氧树脂、聚氨脂树脂、有机硅、聚酰亚胺和氟橡胶等。

由于残留大气分子或中间物体碰撞返回的出气分子流也是污染源的一部分。推进系统羽流碰撞冲击在光学表面。释放出的分子污染是重要来源之一。

分子污染可以直接输送到光学表面，其数量与污染源出气率、分布情况、两者的视角系数和光学表面的温度有关。当污染物与中间表面接触后，一部分留存，另一部分重新发射，后者现象被称为第二源反射，第二源反射产生的沉积率小于直接污染的一个数量级。

2.2 分子和粒子污染的影响

污染会影响光学器件及其光学涂层的热光学性质，影响表面吸收率和发射率的变化，严重影响航天器的热环境。污染分为两种：一种为粒子污染，是微小尘埃和制造加工产生的碎片；另一种为分子污染，是航天器非金属材料出气产生的气体凝结而成的分子薄膜。小尘埃和碎片会引起光遮拦，虽然在发射和上升期间粒子进行了再分配，但其具有不随时间或温度演变的属性。分子污染则不同，出气材料凝结的分子薄膜具有的性质依赖于源温度、接受表面温度、表面吸附能力和与真空紫外及高能粒子辐射的光化学反应活性。污染会造成观测精度下降，使光学器件在分子污染影响下，导致4～18.0 μm范围内的可见光及红外光透过率降低，使传感器失灵或失去能见度。污染气体沉积膜能严重影响表面发射率，在正常发射率0.05的抛光金表面有1 μm水-冰薄膜厚度时，发射率将增加2倍或3倍。水冰凝结会导致低于-150℃在轨低温探测器性能下降。

下面将分别论述污染对太阳能电池、辐射器、热控涂层和光学太阳能反射器、传感器、反射镜、透镜及焦平面阵列等各种低温光学器件的影响。

（1）传感器是航天器中对污染敏感的部件，主要有紫外传感器、可见光传感器和红外传感器等。可以容忍的污染数量程度依赖其性能。紫外传感器对分子污染最敏感，红外传感器对分子污染敏感性最小。可见光和红外传感器对粒子污染最敏感。分子污染会影响紫外传感器、可见光传感器和红外传感器的信号强度，使信号下降。

（2）太阳能电池、辐射器、热控涂层和光学太阳能反射器都是航天器上的重要光学器件。污染使太阳能电池能量转换效率降低，随着污染厚度的增加功率输出下降，污染使辐射器和光学太阳能反射器温度升高。

热控涂层吸收发射比是保证其性能的关键参数，污染后其吸收率增大。水蒸气沉积在红外区会大量吸收，给发射率带来影响，最后使吸收发射比变化，影响温控效果。

（3）反射镜是遥感望远镜第一个光学元件。用于反射光能，通过一系列光学器件从远处目标最终到电子光学探测器。污染对反射镜的影响是降低被反射镜反射的信号强度，继而将降低焦平面阵列的信噪比（SNR）。

在紫外线比红外线吸收更多的分子污染。对给定的传感器信噪比的影响将依赖污染的吸收系数和使用的波段。另外，由于吸收信号，分子污染也可以引起镜表面热发射率增加或镜面的散射。这些影响可能升高附加噪声和降低传感器的信噪比。

粒子在反射镜上的污染将减少信号强度，这信号强度减少将反射到下一个光学元件。信号损失的大小与被粒子遮拦部分面积成正比。

（4）透镜及焦平面和反射镜一样，在透镜和焦平面存在污染薄膜时，由于传输数量的降低而降低信号强度。在透镜上的污染要比在反射镜上的污染对信噪比的危害少。由于在透镜上的污染薄膜必须穿过一次，而在反射镜上要穿过两次。光学望远镜设计中要使内部元器件远离外部污染，望远镜的外部主要部件设计是防污染的关键。

任何粒子污染存留在透镜或焦平面将阻碍光学元件传输信号与遮拦部分面积成正比的减少信号强度。特别是焦平面，由于在光学系统的位置不同于主镜，污染对其的危害程度也不同于主镜。信号从主镜宽的采集区域被聚焦到非常小的横截面，结果是在最终光学元件或焦平面粒子污染比主镜有更大的危害。

焦平面必须是预防外部污染，易受到内部污染伤害。为控制污染，全部传感器部件是由出气率低的薄片材料制造。

（5）低温光学器件更容易受到污染。许多空基传感器工作在电磁光谱红外部分，即波长大于0.7 μm。至少两个原因，首先物体在这些波长全部或部分有红外辐射，因为相对较冷（T<1 000 K）；第二，红外辐射较可见光或紫外光能较好的传输信号通过地球大气（包括云、尘埃等）。在空间观测针对地球背景的物体时，选择适当的红外波长有几乎消除被地球发射或散射的背景辐射的优点。对于空基光学传感器，波长选择和其相关带宽有关，应选用红外波长。

光学传感器工作在红外，特别是中波红外（λ> 5 μm）必须被冷却，为了限制传感器本身产生的背景噪音，由反射镜、透镜、传感器的其他零件反射的光子组成，包括与传感器焦平面相关的电子设备热噪声。光学红外背景将有一个普朗克波长分布，其强度将被大量低发射率光学表面減少到黑体的5%或更少。多种电子噪声和约翰逊噪声将降低传感器的性能。任何传感器都希望有满足要求的信噪比，冷却的传感器可以减少光学和电子热噪声，为得到可探测的信号常需要对传感器进行冷却。

与航天器被冷却零件有关的污染问题，特别是红外传感器，平均分子滞留时间是温度的指数函数。分子将不粘附到热表面，将有冗长的时间停留在冷表面上。例如水在室温下，平均滞留1 s，在77 K表面滞留时间有大约1017s。因此冷表面对大多数撞击到的分子就像吸气剂。

航天器上冷表面分子污染的后果依赖于污染的性质以及表面的敏感性。在使用的波长范围内不散射、反射或吸收红外光子的分子不值得关注。对于Ne、Ar和N2、O2气体，是一个和两个原子的气体，一个原子没有振动模式，两个原子的气体仅有一个振动模式，旋转模式集中于频谱的微波部分，污染研究很少关注。H2O、CO2和NH3是3个和4个原子的气体，有几个振动模式，其中的一些是在红外有用的区域并且是噪声源和附加源。因此对冷却光学传感器表面分子污染是特殊问题。冷冻的清洁水常产生不透明的固体冰，因此低温表面污染控制问题是空间系统设计需要重视的因素。

对于低温的空间光学器件污染的影响特别严重，污染气体凝结的可能性明显增加，例如水冰凝结导致低于-150℃在轨低温探测器性能下降。事实是既使进行了广泛的真空烘烤，几乎不可能防止卫星对水分的再吸附。主要预防的方法应是好的仪器设计（保证敏感光学器件的视觉系数被限制，尽可能远离出气源）并要保证低温探测器光学器件是最后一个被冷却。通常要安装加热器以便去除污染气体。

3 结束语

空间环境对光学器件及其涂层的影响是很明显的。多孔涂层在真空会造成光谱响应的变化，由于水损失使涂层总应力产生变化。真空热循环环境下，由于水释放引起涂层应力产生变化，又会因为涂层与衬底两层热膨涨系数不同产生热应力。太阳辐照导致涂层吸收率增加，辐射率下降，使辐射制冷器效率降低，导致卫星温度增加。粒子辐射使敏感光学表面变暗，光学材料和器件性能衰变，使光学系统整体性能下降。紫外线会使光学表面污染气体沉积明显增加。原子氧会使航天器表面产生腐蚀。

污染来自分子污染和粒子污染。污染会使各种传感器信号强度下降；使太阳电池功率输出下降；使辐射器和太阳能反射器温度升高；使反射镜反射信号强度降低；降低了焦平面阵列信噪比；粒子污染会影响透镜和焦平面阵列信号的传输，降低信号强度；污染对低温光学器件影响严重，污染气体凝结的可能性明显增加。有效控制污染的方法是航天器在设计时就考虑到控制污染的问题，并在生产到发射全过程都要保证污染控制在要求的水平。对于低温光学仪器要根据外部污染情况分析结果，分为制造和试验、在轨冷却和在轨工作三个阶段进行控制污染。

由于污染对光学器件性能的严重影响，必须高度重视污染问题。

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SPACE ENVIRONMENTAL AND CONTAMINATION EFFECTS ON OPTICS

LI Hong-xun
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

Various instruments such as optical devices and optical coatings used in observation satellites，meteorological satellites and space telescopes must withstood the trial of the space environment and contamination in order to ensure the reliability of spacecraft.To reduce the impact of the space environment and control contamination are the key to solving the problem.Low-temperature optical instruments is a relatively independent system，its thermal design must ensure the coldest sensor chip array to hold the highest temperature in the instrument.Thus，the contaminant is not be adsorbed onto the surface of the key before sensor chip array will be cooled.The best and most basic method of controlling cryogenic instrument contamination is that Optics forever invisible molecules flow from external contamination sources.Installing the heater and contamination control cover at an appropriate position is effective.

contamination；optics；sensor；mid infrared；coatings

V57文献识别码：A

1006-7086（2014）06-0364-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.014

2014-09-09

李鸿勋（1938-），男，天津市人，高级工程师，主要从事空间环境模拟器氦制冷机及相关低温设备研制。

E-Mail：lihongxun@live.cn